Freie-Elektronen-Laser

Ein Freie-Elektronen-Laser (engl.: free-electron laser, kurz FEL) ist eine Strahlungsquelle, die Synchrotronstrahlung mit sehr hoher Brillanz erzeugt.^[1] Da freie Elektronen keine festen Energieniveaus besitzen, ist die emittierte Strahlung kontinuierlich durchstimmbar. Derzeit (2017) sind Wellenlängen bis unter 1 Ångström möglich.

Der FEL wird wegen der Kohärenz dieser Strahlung und der Abhängigkeit der Verstärkung von der vorhandenen Photonenanzahl als Laser bezeichnet. Im Gegensatz zu konventionellen Lasern besitzt er jedoch kein laseraktives Medium, in dem Besetzungsinversion herrscht. Daher findet auch keine stimulierte Emission statt.

Zentrale Komponenten eines FEL sind die Elektronenquelle, in der Regel ein Hochenergie-Teilchenbeschleuniger, und ein Wechselwirkungsbereich, in dem ein Teil der Bewegungsenergie der Elektronen in Photonen umgesetzt wird. Das geschieht gewöhnlich durch ein alternierendes Magnetfeld (Undulator), das die Elektronen in eine transversale Bewegung zwingt, bei der Synchrotronstrahlung emittiert wird. Die Photonenerzeugung kann jedoch auch durch einen Hohlleiter induziert werden, der mit einem Dielektrikum beschichtet ist (Tscherenkow-FEL). Im weitesten Sinne können auch die ersten kohärenten Strahlungsquellen, Wanderfeldröhren und Magnetrons, als Freie-Elektronen-Laser aufgefasst werden. Im Weiteren wird die Funktion eines FEL erläutert, der einen Undulator zur Strahlungserzeugung verwendet.

Der FEL wurde Anfang der 1970er Jahre durch John Madey an der Stanford University erfunden und ein Prototyp gebaut.^[2]

1. ↑ Free Electron Lasers 2002, Proceedings of the 24th International Free Electron Laser Conference, and the 9th FEL Users Workshop, Argonne, Illinois, U.S.A., September 9–13, 2002.
2. ↑ John Madey, Stimulated Emission of Bremsstrahlung in a Periodic Magnetic Field, J. Appl. Phys. 42, 1971.