Neue Optionen für Synchrotron-Quellen

In speicherring­basierten Synchrotron­strahlungs-Quellen zirkulieren Elektronen­pakete über Milliarden Umläufe in einem Ring und erzeugen in dessen Ablenk­magneten eine rasche Folge von sehr hellen Licht­pulsen. In Freien-Elektronen-Lasern dagegen werden die Elektronen­pakete linear beschleunigt und geben dann einen einzelnen super­hellen Licht­blitz mit laser­artiger Qualität ab. Ein Forscher­team aus Deutschland und China hat jetzt gezeigt, dass sich an einer Synchrotron­strahlungs-Quelle ein Muster von Pulsen erzeugen lässt, das die Vorteile von beiden Systemen vereinigt: Es liefert kurze, intensive Mikro­pakete, die Strahlungs­pulse mit einer laser­artigen Qualität erzeugen, die aber außerdem dicht aufein­ander­folgen können.

Die Idee wurde vor etwa zehn Jahren unter dem Schlagwort „Steady-State Micro­bunching“ von Alexander Chao und Daniel Ratner von der Stanford University entwickelt. Der Mechanismus soll es in Speicher­ringen ermöglichen, Licht­pulse nicht nur mit hoher Wieder­hol­rate, sondern auch mit laser­artiger Qualität zu erzeugen. Diese Über­legungen hat Xiujie Deng von der Tsinghua University in Peking auf­ge­griffen und theoretisch weiter unter­sucht. Chao kontaktierte 2017 Beschleuniger­physiker am HZB, die neben der Weichröntgen-Quelle BESSY II am HZB auch die Metrology Light Source an der PTB betreiben.

Die MLS ist als erste Lichtquelle weltweit bereits vom Design her auf den Betrieb im „Low Alpha-Mode“ optimiert: Dabei können die Elektronen­pakete stark verkürzt werden. Seit über zehn Jahren entwickeln die Forscher dort diesen speziellen Operations­modus stetig weiter. „Nur deshalb konnten wir an der MLS die heraus­fordernden physika­lischen Voraus­setzungen erfüllen, um das SSMB-Prinzip experi­mentell zu bestätigen“, erklärt Markus Ries, Beschleuniger­experte am HZB.

„Die Theoriegruppe innerhalb des SSMB-Teams hatte in der Vorbereitungs­phase die physika­lischen Rand­bedingungen für eine optimale Einstellung der Maschine definiert. Dadurch konnten wir die neuartigen Maschinen-Zustände an der MLS erzeugen und zusammen mit Deng soweit optimieren, bis wir die gesuchten Pulsmuster nach­weisen konnten“, berichtet Jörg Feikes vom HZB. Die HZB- und PTB-Experten benutzten einen optischen Laser, dessen Lichtwelle räumlich und zeitlich präzise synchro­nisiert zu den Elektronen­paketen in der MLS einge­koppelt wurde. Dadurch wurden die Energien der Elektronen in den Paketen moduliert.

„Das führt dazu, dass sich die einige Millimeter langen Elektronen­pakete nach exakt einer Runde im Speicher­ring in nur ein Mikrometer lange Mikro­bunches aufspalten und dann Licht­pulse abgeben, die sich kohärent verstärken wie in einem Laser“, erläutert Feikes. „Der experi­mentelle Nachweis der kohärenten Strahlung war dabei alles andere als einfach, aber die PTB-Kollegen haben eine innovative optische Detektions­einheit entwickelt, mit der der Nachweis gelang.“

„Der Clou von künftigen SSMB-Quellen ist, dass sie laser­artige Strahlung auch jenseits des sichtbaren Spektrums erzeugen, also etwa im extremen ultra­violetten Bereich“, betont Mathias Richter, Abteilungs­leiter an der PTB. „Im Endausbau könnte eine SSMB-Quelle Strahlung einer neuen Qualität liefern. Die Pulse sind intensiv, fokussiert und schmal­bandig, sie vereinigen die Vorteile von Synchrotron­licht mit den Vorteilen von FEL-Pulsen“, ergänzt Ries. Die Strahlung ist potenziell für industrielle Anwendungen geeignet. In der Nähe von Peking ist bereits die erste Licht­quelle basierte auf SSMB speziell für die Anwendung der EUV-Litho­graphie konkret in Planung.

HZB / RK

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  X. Deng et al.: Experimental demonstration of the mechanism of steady-state microbunching, Nature 590, 576 (2021); DOI: 10.1038/s41586-021-03203-0
• Beschleuniger, Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH
• Synchrotronstrahlungsquellen, Abt. Temperatur und Synchrotronstrahlung, Physikalisch-Technische Bundesanstalt, Berlin
• Institute for Advanced Study, Tsinghua University, Peking, China