Laser beschleunigt Elektronen im Vakuum

Mit intensiven ultrakurzen Laserpulsen kann man in Plasmen Wellen erzeugen, auf denen Elektronen „surfen“ und schon nach wenigen Zentimetern GeV-Energien erreichen. Die Laser­beschleunigung von Elektronen funktioniert jedoch auch im Vakuum, wie Forscher jetzt gezeigt haben. Ein Team um Fabien Quéré und Jérôme Faure von der Université Paris-Saclay hat Elektronen mit Hilfe eines 100-Terawatt-Lasers im Vakuum auf Energien von bis zu 10 MeV beschleunigt. Das ist zwar noch weit von den GeV-Energien entfernt, die man mit Laser­plasma­beschleunigung erreicht. Doch es ist angesichts der vielen früheren erfolglosen Bemühungen im Bereich der Vakuum­laser­beschleunigung ein viel­ver­sprechender Anfang.

Der Laser gab gepulstes Infrarotlicht von 800 nm Wellen­länge mit einer Puls­dauer von 25 fs ab. Gebündelt auf einen Brenn­punkt von 5,5 Mikro­meter Durch­messer erreichte die Laser­strahlung eine Intensität von 2×10¹⁹ W/cm². Die starken elektrischen Felder in der Licht­welle konnten die Elektronen mitreißen und auf sehr hohe Energien bringen. Doch dazu mussten die Elektronen mit perfektem Timing in die Licht­welle gelangen. Anschließend mussten sie mit der Welle mitlaufen, sodass sie sich immer in derselben Halb­welle befanden und stetig Energie aufnehmen konnten – bis sie schließlich den Brenn­fleck verließen und sich unabhängig von der Licht­welle weiter bewegten.

Bei früheren Experimenten stimmte meist weder das Timing, sodass die Elektronen von der Licht­welle auch abge­bremst werden konnten, noch hatten sie schon zu Beginn eine so hohe Geschwin­digkeit, sodass sie der Licht­welle folgen konnten. Sie waren deshalb in schneller Folge zahlreichen Wellen­bergen und -tälern ausge­setzt, sodass sie nur eine viel schwächere pondero­motorische Kraft spürten, die sie kaum beschleunigte.

Beide Probleme – das perfekte Timing und eine relati­vistische Anfangs­geschwin­digkeit der Elektronen – haben die französischen Forscher jetzt mit Hilfe eines Plasma­spiegels gelöst. Dabei handelte es sich um eine glatte Quarz­ober­fläche, die einige hundert Femto­sekunden vor dem Auftreffen des starken Laser­pulses von einem schwächeren Laser­puls mit einer Intensität von 10¹⁶ W/cm² ionisiert worden war. Die dadurch freige­setzten Elektronen bewegten sich mit hoher Geschwin­digkeit von der Ober­fläche weg. Sie bildeten ein Elektronen­gas, an dem der starke, schräg einfallende Laser­puls wie an einer Metall­ober­fläche reflektiert wurde.

Stimmte der Zeitabstand zwischen den beiden Laser­pulsen, so wurden viele der freige­setzten Elektronen mit dem richtigen Timing in den starken Laser­puls injiziert. Da sie eine hohe Anfangs­energie von 1,5 MeV hatten und sich schon fast mit Licht­geschwin­digkeit bewegten, konnten sie über eine Strecke von etwa hundert Licht­wellen­längen auf der Licht­welle surfen und dabei erheblich an Energie gewinnen. Die Energie­verteilung der Elektronen sowie ihre räumliche Verteilung um den Laser­strahl herum ermittelten die Forscher, indem sie die Teilchen mit einem Magnet­feld variabler Stärke ablenkten und anschließend auf einen phosphores­zierenden Schirm prallen ließen, dessen Aufleuchten sie mit einer CCD-Kamera foto­grafierten. Dabei beobachteten sie ein charakte­ris­tisches Bild, das aus zwei Teilen bestand.

Bei abgeschaltetem Magnetfeld wurde der Laser­strahl von einem seitlich versetzten Elektronen­strahl begleitet, in dem die Teilchen eine mittlere Energie von 10 MeV hatten. Das waren die Elektronen mit gutem Timing, die auf der Licht­welle gesurft waren. Außerdem war der Laser­strahl von einem diffusen Elektronen­strahl umgeben, der in seiner Mitte ein Loch hatte. Dieser Strahl enthielt Elektronen mit viel kleinerer Energie, die es nicht geschafft hatten, auf einer Welle zu surfen und die deshalb nur durch pondero­motorische Kräfte beschleunigt worden waren.

Numerische Berechnungen, die die Forscher durchge­führt hatten, ergaben Energie- und Dichte­verteilungen, die hervor­ragend mit den experimentell gewonnen Verteilungen über­ein­stimmten. Anhand dieser Berechnungen ließ sich detailliert verfolgen, wie einzelne Elektronen sich in der Licht­welle bewegt hatten und zu ihrer Energie gelangt waren. Daraus schließen Quéré und seine Kollegen, dass ihnen tatsächlich die lang­gesuchte Vakuum­laser­beschleunigung von Elektronen geglückt ist. Die Forscher sind zuver­sichtlich, dass man mit ihrem Verfahren Elektronen auch auf wesentlich höhere Energien bringen kann. Dazu müsste man Petawatt-Laser benutzen, die in ihrem Fokus Intensitäten von mehr als 10²¹ W/cm² erreichen. Hier wären die Elektronen über einige zehn Mikro­meter elektrischen Feldern von mehr als 100 TV/m ausgesetzt, die sie demnach auf einige GeV beschleunigen könnten.

Rainer Scharf

RK