Der Freie-Elektronen-Laser an der Strahlungsquelle ELBE

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1 Der Freie-Elektronen-Laser an der Strahlungsquelle ELBE Dr. Martin Sczepan Forschungszentrum Rossendorf

2 Inhalt Laser für das Infrarot Was macht den Bereich des IR interessant? Der Infrarot-FEL im Vergleich zu anderen Lichtquellen Die Freie-Elektronenlaser in Rossendorf Prinzipieller Aufbau eines Lasers Aufbau eines FEL Die optischen Resonatoren und Undulatoren Das Anlaufen des Lasers Parameter der im Aufbau befindlichen FEL Anwendungen für die FEL Photothermische Spektroskopie Pump-Probe-Spektroskopie Nahfeldmikroskopie

3 Das Spektrum elektromagnetischer Wellen LW MW KW UKW Infrarot Roentgenstrahlung Ultraviolett γ Strahlung -> Wellenlänge: 1 km 1 m 1 mm 1 µm 1 nm 1 pm 1 fm Frequenz: 1kHz 1GHz Energie: 1µeV 1meV 1eV 1keV Gebäude Lebewesen Molekül Atomkern Nukleon

4 Was macht den Bereich des IR interessant? IR-Absorptionsspektrum biologischer Moleküle am Beispiel von Proteinen und Zuordnung der Banden zu molekularen Schwingungen Amid-I Amid-II Amid-A C=O Streckschwingung C-N Streckschwingung /Deformation N-H Streckschwingung Die Energie des infraroten Lichtes korrespondiert sowohl mit den Schwingungsenergien von Atomen und Molekülbestandteilen innerhalb von Molekülen als auch mit den Schwingungsenergien kristalliner Festkörper. Durch die Beobachtung des Schwingungsverhaltens lassen sich Rückschlüsse auf die molekulare Struktur und die Energieumverteilung innerhalb von Molekülen gewinnen. Damit ist ein direkter Zugriff auf chemische Informationen möglich.

5 Wozu der Aufwand eines FEL? Spektrum der elektromagnetischen Wellen zwischen 100 nm und 500 µm und verfügbare konventionelle Laser-Lichtquellen

6 Der Infrarot-FEL im Vergleich zu anderen IR-Lichtquellen Thermische Quellen ( Glühlampe ) Konventionelle IR- Laser (z.b. CO 2 ) Kurzpulslaser mit nichtlinearen optischen Systemen zu Frequenzwandlung Synchrotronstrahlung Freie Elektronenlaser Vorteile Breiter Wellenlängenbereich, einfach und preiswert Hohe Leistung, relativ preiswert, schmalbandige Emission Breiter Wellenlängenbereich, extrem kurze Pulse Breiter Wellenlängenbereich, hohe Leistung, breitbandige Emission Breiter Wellenlängenbereich, hohe Leistung, schmalbandige Emission, Kohärenz Nachteile Geringe Intensität, keine kurzen Pulse Eingeschränkter Wellenlängenbereich, keine kurzen Pulse Geringe Leistung, nur bis ca. 15 µm verfügbar Großer materieller und personeller Aufwand Großer materieller und personeller Aufwand

7 Was macht den FEL so besonders? Besondere Eigenschaften des vom FEL generierten IR-Lichtes: kann in großem Wellenlängenbereich betrieben werden, Wechsel der Arbeitswellenlänge einfach und schnell möglich liefert kohärentes Licht schmalbandige Emission Erzeugung kurzer Pulse (um 1 ps) hohe Wiederholrate (13 MHz) große Pulsenergie (im µj-bereich) sehr hohe mittlere Leistung (bis 100 W)

8 Prinzipieller Aufbau eines Lasers Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation Drei Prozesse im Medium: Absorption Spontane Emission Stimulierte Emission Aufbau eines Lasers (Prinzip)

9 Aufbau eines Freie-Elektronen-Lasers Aufbau eines Freie-Elelektronen-Lasers (schematisch)

10 Die optischen Resonatoren Besonderheiten der Resonatoren große Resonatorlänge (11,53 m) wegen 13 MHz Wiederholrate des Beschleunigers Verwendung von sphärischen/toroidalen Metallspiegeln mit Goldbeschichtung fast konfokales Design der Resonatoren Verwendung eines partiellen Wellenleiters für besonders langwelliges Licht Auskopplung des Lichtes durch Öffnungen im Zentrum der Auskoppelspiegel (Durchmesser 1,5-6 mm)

11 Die Undulatoren U27 U90 Undulatorperiode λ U [mm] Anzahl der Perioden N Länge des Undulators [m] 27,3 90 2* ,86 2,34 Das Magnetfeld wird entweder mit Permanentmagneten (U27) oder Elektromagneten (U90) erzeugt. Es kann durch Veränderung des Abstandes der Magneten (gap) bzw. durch den Stromfluss durch die Elektromagneten variiert werden.

12 Aufbau eines Undulators Undulator U27 (Undulatorperiode 2,73 cm, 2*34 Perioden, Länge 1,86 m, K rms =0,3 0,8)

13 Spontane Emission im Undulator Undulatorparameter K rms ebu λu Krms = 0,934BU [T] λu [cm] Periodenlänge: λ U 2π mc Amplitude des Magnetfeldes: B U 40 3µm Maximum der spontanen Emission: E e [MeV] µm 10µm 7µm 5µm 1+ K λn = 2nγ 2 rms 2 λ U 1+ K λn 130,56µ m n 2 rms λ [mm] ( E [MeV]) 2 e U 15 20µm 30µm Maximum der spontanen Emission in Abhängigkeit von Elektronenenergie E e und Undulatorparameter K rms K rms

14 Das Anlaufen des Lasers 0.3 η sat G 0 corr I out (kw/mm 2 ) % A opt (6.6%) 1% N 1% 11% A opt (6.6%) Je nach Anteil des ausgekoppelten Lichtes benötigt der FEL Pulsumläufe um die volle Intensität zu erreichen Es gibt einen optimalen Auskoppelanteil, für den die vom Laser erzeugte Lichtintensität maximal ist Anlaufen des FEL (Undulator U27) bei verschiedenen Auskopplungseffizienzen (N: Anzahl der Umläufe des Pulses im Resonator)

15 Erwartete Leistungsparameter D H =1,5mm D H =3mm σ t =0,7ps σ t =1,8ps

16 Parameter der im Aufbau befindlichen FEL Elektronenstrahl Kinetische Energie Pulslänge MeV einige ps Optischer Strahl U27 U90 Wellenlänge µm] Pulsladung ca. 80 pc Pulsenergie ca. 1 µj* Wiederholrate 13 MHz, 77 ns Pulslänge 0,3-10 ps* Mittlerer Strom 1 ma mittlere Leistung 60 W bei 5µm 100 W bei 100 µm * abhängig von der Wellenlänge

17 Der FEL für das mittlere IR in Rossendorf Strahlungsquelle ELBE Beschleuniger und Nutzerlabore

18 Nutzerlabore 113a/b: Halbleiterspektroskopie 113c: fs-verstärkersystem und Spektroskopie 113d: Strahldiagnose und Nahfeldspektroskopie 113e, f: Labore für externe Nutzer 113g: Radiochemie

19 Strahldiagnose Aufbau des Strahldiagnosesystems 1 Eintrittsfenster 2 Strahlteiler 3 Chopper 4 Leistungsüberwachung 5 Mehrkanalspektrometer 6 48-kanaliges pyroelektrisches Array 7 Hg-Cd-Te or Ge-Ga Detektor 8 Si-Schaltelement 9 Nd:Vanadat-Lasersystem 10 Abschwächer 11 Mikropuls-Leistungsdetektor 12 Leistungsdetektor 13 Polarizations-Dreheinrichtung 14 Autokorrelator 15 IR Strahlfänger

20 Anwendungen I Photothermische Spektroskopie FEL Beam HeNe-Laser Photodiode Sample Oscilloscope Aufbau eines photothermischen Experiments Funktionsprinzip: Der gepulste FEL-Strahl erzeugt thermische Fluktuationen in der Probe, die sich auf die darüber liegende Luftschicht auswirken Die Fluktuationen des Brechungsindex der Luftschicht werden durch die Ablenkung eines zweiten Laserstrahls (HeNe) erfasst Aus der Wellenlängenabhängigkeit der Fluktuationen lässt sich das Absorptionsspektrum der Probe rekonstruieren

21 Anwendungen II Pump-Probe-Spektroskopie Pump-probe Experiment zur polarisationsabhängigen zeitaufgelösten Untersuchung von biologischen Proben

22 Anwendungen III Nahfeldmikroskopie Auflösung Konventionelles Mikroskop: δ = λ 2NA NA = nsinθ Nahfeldmikroskop: Eine kleine Öffnung (z.b. Spitze einer Glasfaser) koppelt Licht mit geringem Abstand zur Probe ein/aus. Die Auflösung entspricht etwa der Größe der Öffnung und kann damit deutlich kleiner als die Wellenlänge des verwendeten Lichts sein. Möglicher Aufbau eines Nahfeldmikroskops

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