Beim weltweiten Wettlauf um die höchste Laserleistung bei kürzesten Wellenlängen hat die FLASH-Anlage beim Forschungszentrum DESY in Hamburg einen neuen Weltrekord aufgestellt: Der Freie-Elektronen-Laser erzeugte Laserlichtblitze, deren Leistung sogar die der größten Plasma-Röntgenlaseranlagen übertrifft. FLASH dringt mit Wellenlängen von 2,7 Nanometern zudem in das so genannte Wasserfenster vor, das für die Untersuchung biologischer Proben grundlegend wichtig ist.
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"FLASH ist gegenwärtig die einzige Laseranlage weltweit, die schnell gepulste, leistungsstarke und ultrakurze Lichtblitze im Röntgenbereich liefert", so DESY-Forschungsdirektor Professor Jochen R. Schneider. "Damit eröffnet FLASH Forschern fast aller Naturwissenschaften ganz neue Experimentierfelder, sogar innerhalb des so genannten Wasserfensters zwischen 2,3 und 4,4 Nanometern. In diesem Wellenlängenbereich absorbieren die Kohlenstoffatome in organischer Materie die Strahlung sehr gut, während das umgebende Wasser transparent bleibt. Dadurch werden bisher undurchführbare Untersuchungen möglich, etwa holografische Aufnahmen von Zellsystemen in ihrer natürlichen in vitro Umgebung mit Hilfe eines einzigen Lichtpulses." Wichtig ist auch der Bereich um 13,5 Nanometer, denn Strahlung dieser Wellenlänge wird in der Halbleiterindustrie benötigt, um mit Hilfe der EUV-Lithographie die zukünftige Generation von Mikroprozessoren herzustellen.
Steigerung der Wiederholrate
Der Freie-Elektronen-Laser FLASH, der seit August 2005 für die Forschung zur Verfügung steht, erzeugt derzeit Laserstrahlung mit Grundwellenlängen zwischen 13,1 und 40 Nanometern. Die mittlere Energie pro Puls bei 13,5 bis 13,8 Nanometern beträgt bis zu 70 Mikrojoule bei einer bisher noch nie da gewesenen Wiederholrate von 150 Pulsen pro Sekunde, so dass die mittlere Leistung Werte von über 10 Milliwatt erreicht. Die Wiederholrate soll in Zukunft auf einige Tausend Pulse pro Sekunde gesteigert werden, während die mittlere Leistung gleichzeitig auf über 100 Milliwatt anwachsen wird. Gleichzeitig erzeugte FLASH kohärente Strahlung bei der dritten und fünften Harmonischen der Grundwellenlänge von 13,7 Nanometern, das heißt bei 4,6 bzw. 2,7 Nanometern mit Pulsdauern von weniger als 10 Femtosekunden. Die entsprechenden Pulsenergien liegen bei etwa 1 Mikrojoule bzw. 10 Nanojoule pro Puls.
Im Jahr 2007 wird FLASH nach einem entsprechenden Umbau Strahlung erzeugen, deren Grundwellenlänge zwischen 6 und 60 Nanometern beliebig eingestellt werden kann. Dann wird FLASH in den höheren Harmonischen ultrakurze Laserpulse mit Energien im Mikrojoulebereich liefern bei Wellenlängen, die innerhalb und an den Grenzen des Wasserfensters beliebig eingestellt werden können – und eröffnet noch nie dagewesene Möglichkeiten für hochauflösende zwei- und dreidimensionale in-vitro- Untersuchungen an biologischen Proben; das gilt sowohl für Spektroskopie wie auch für Abbildungen.
Breite Anwendung möglich
FLASH ist zurzeit weltweit die einzige Freie-Elektronen-Laser-Anlage für extreme ultraviolette Strahlung und weiche Röntgenstrahlung. Etwa 200 Wissenschaftler von 60 Instituten aus 11 Ländern nutzen das intensive Laserlicht zurzeit an bislang vier Messplätzen für ihre Experimente. Interessenten für viele weitere Projekte gibt es bereits, sie kommen aus verschiedenen Bereichen der Physik, Chemie oder Molekularbiologie. Die FLASH-Anlage spielt außerdem eine wichtige Pionierrolle für künftige größere Freie-Elektronen-Laser-Anlagen, die Laserblitze von noch kürzerer Wellenlänge erzeugen werden. Dazu gehört insbesondere der 3,4 Kilometer lange europäische Freie- Elektronen-Röntgenlaser XFEL, dessen Realisierung zurzeit bei DESY in internationaler Zusammenarbeit vorbereitet wird und der im Jahr 2013 seinen Betrieb aufnehmen wird.
(idw – Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY, 08.09.2006 – AHE)
