Bereit für den Zwei-Farben-Betrieb
Freie-Elektronen-Laser des Fritz-Haber-Instituts liefert erstmals Laserstrahlung im Fern-Infrarot.
Seit 2013 liefert der Freie-Elektronen-Laser des Fritz-Haber-Instituts (FHI FEL) intensive, gepulste Strahlung im Spektralbereich des mittleren Infrarot (MIR), wobei die Wellenlänge kontinuierlich von 2,8 bis 50 Mikrometer verstellbar ist. Die Vermessung von molekularen Schwingungsspektren ist eine der Hauptanwendungen des FHI FEL. Der infrarote Spektralbereich wird oft als „molekularer Fingerabdruck“ bezeichnet, da sich hier die charakteristischen Schwingungsmoden von Molekülen, Clustern oder festen Materialien befinden. Diese Schwingungsmoden stehen in direktem Zusammenhang mit den Kräften, die die Atome zusammenhalten, sowie mit ihrer geometrischen Anordnung. Der FHI FEL ermöglicht es Forschungsgruppen vom FHI und ihren Kollaborations-Partnern, Experimente in verschiedenen Bereichen durchzuführen; von der Spektroskopie von Clustern, Nanopartikeln und Biomolekülen in der Gasphase bis hin zur nichtlinearen Festkörper-Spektroskopie und Oberflächenwissenschaft. Dies hat bislang zu nahezu 100 begutachteten Veröffentlichungen geführt.
In den letzten Jahren hat das FHI FEL-Team an einem Maschinenausbau gearbeitet, bei dem ein zweiter FEL-Zweig, mit dem Strahlung im fern-infraroten (FIR) Spektralbereich mit Wellenlänge von bis zu 165 Mikrometern erzeugt werden kann, errichtet wurde. Dieser FIR FEL umfasst einen neuen, im FHI eigens hierfür aufgebauten Hybrid-Magnet-Undulator. Darüber hinaus wurde am Ende des Elektronen-Linearbeschleunigers (LINAC) eine zusätzliche Hochfrequenz-Kicker-Kavität installiert. Wenn eine intensive Radiowelle mit einer Frequenz von 500 MHz in die Kicker-Kavität eingespeist wird, ermöglicht dies den gleichzeitigen Betrieb von MIR- und FIR-FEL; den Zwei-Farben-Betrieb.
Am 8. Juni 2023 beobachtete das FHI-FEL-Team zum ersten Mal Laser-Strahlung aus dem neuen FIR FEL. Basierend auf seiner Erfahrung im Betrieb des FHI FEL konnte Teammitglied Sandy Gewinner die Betriebsparameter des Elektronen-Beschleunigers und der -Strahlführung so gut einstellen, dass das erste Anschwingen („Lasern“) des FIR FEL innerhalb weniger Stunden erreicht werden konnte. Bei einer Elektronenenergie von 36 MeV wurde FEL-Strahlung bei Wellenlängen von 9 bis 34 Mikrometern beobachtet. Dieser große kontinuierliche Durchstimmbereich der Wellenlänge wird durch mechanische Variation des Undulatorspalts ermöglicht. Bereits am ersten Tag wurden Pulsenergien von über 100 Millijoule beobachtet, was darauf hindeutet, dass ein leistungsstarker Betrieb entsprechend den Konstruktionszielen möglich ist. Als Nächstes wird das FHI FEL-Team den gesamten Ziel-Wellenlängenbereich von 4,5 bis 165 Mikrometern durch Betrieb des LINACs bei verschiedenen Elektronenenergien ausprobieren.
Das nächste große Ziel wird darin bestehen, den Zwei-Farben-Betrieb zu demonstrieren, indem das MIR- und FIR-FEL gleichzeitig betrieben werden. Zu diesem Zweck wurde die neue Kicker-Kavität so konzipiert, dass sie jede zweite Elektronenbunch, die aus dem Beschleuniger kommt, zum MIR-Zweig und jede andere zweite Bunch zum FIR-Zweig ablenkt. Im Zwei-Farben-Modus laufen beide FELs parallel und erzeugen unabhängig voneinander abstimmbare Infrarotpulse. Der Zwei-Farben-Modus eröffnet den FHI FEL-Nutzergruppen neue Möglichkeiten, einschließlich MIR/FIR Pump-Probe-Experimente.
FHI / DE
