Kilometerlange Röntgenlaser bald viel kleiner? Dresdner Team gelingt Durchbruch
Röntgenlaser wie der European XFEL sind kilometerlang und weltweit ausgebucht. Forschende aus Dresden und Paris haben eine kompakte Variante erstmals mit voller Verstärkung betrieben. Noch liefert sie UV-Licht, Röntgenstrahlung ist das Fernziel.
Blick in den Beschleunigertunnel des European XFEL bei Hamburg. Auf 1,7 km bringen supraleitende Resonatoren die Elektronen auf 17,5 GeV. Ein Laser-Plasma-Beschleuniger erreicht hohe Elektronenenergien auf wenigen Millimetern.
Foto: picture alliance/dpa | Georg Wendt
Lassen sich Freie-Elektronen-Laser von Kilometern auf Meter verkleinern? Ein Team des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf (HZDR) und des Synchrotrons SOLEIL bei Paris ist diesem Ziel ein Stück näher gekommen. Die Forschenden haben einen sogenannten geseedeten Laser-Plasma-FEL erstmals stabil im High-Gain-Regime betrieben, also in einem Zustand, in dem die Lichtleistung im Verlauf der Anlage exponentiell anwächst. Der Aufbau lieferte ultraviolette Lichtblitze mit einer Wellenlänge von 272 nm und Pulsenergien von 45 nJ. Die Ergebnisse sind in Physical Review Letters erschienen.
Bei der Beschleunigung der Elektronen ersetzt ein wenige Millimeter langes Plasma den Linearbeschleuniger konventioneller Anlagen. Am European XFEL bei Hamburg ist allein die Beschleunigungsstrecke 1,7 km lang. „In einem Laser-Plasma-FEL lässt sich diese Strecke um etwa den Faktor 1000 verkürzen“, sagt Marie Labat vom Synchrotron SOLEIL. Die Elektronen erreichen dabei allerdings deutlich niedrigere Energien als an Großanlagen. Was genau hat es also mit dem Durchbruch aus Dresden auf sich?
Inhaltsverzeichnis
Was ist ein FEL?
Ein Freie-Elektronen-Laser (FEL) erzeugt Lichtblitze, die kürzer als 100 Femtosekunden sind und dabei um viele Größenordnungen heller als das Licht herkömmlicher Röntgenquellen. Forschende nutzen sie, um chemische Reaktionen Schritt für Schritt zu verfolgen oder die Struktur von Materialien unter extremen Bedingungen zu bestimmen. Zuletzt konnten Forscher damit etwa die Struktur von flüssigem Kohlenstoff enthüllen.
Ein Beispiel ist der European XFEL in Schenefeld bei Hamburg. Er ist 3,4 km lang, zwölf Länder haben rund 1,2 Mrd. € in die Anlage investiert. Auf den ersten 1,7 km beschleunigen 768 supraleitende Hohlraumresonatoren aus Niob, gekühlt auf −271 °C, die Elektronen auf 17,5 GeV. Danach durchlaufen sie Undulatoren, in denen das Röntgenlicht entsteht. Der Betrieb kostet etwa 140 Mio. € im Jahr.
Weltweit gibt es nur wenige Anlagen dieser Klasse. Forschungsgruppen müssen sich um Strahlzeit bewerben, und die Nachfrage übersteigt die verfügbaren Messtage deutlich. Wie die Anlage in Schenefeld arbeitet und was Forschende dort untersuchen, ist in der Reportage Röntgenlaser im Labor erzeugen das Licht der Zukunft der VDI nachrichten nachzulesen.
Elektronen surfen auf einer Plasmawelle
Das Funktionsprinzip der Entwicklung des HZDR ist dasselbe wie bei der Hamburger Bauart. Elektronen mit nahezu Lichtgeschwindigkeit fliegen durch einen Undulator, eine Reihe von Magneten mit wechselnder Polung. Die Magnetfelder zwingen die Elektronen auf eine Schlangenlinie, dabei senden sie Licht aus. Dieses Licht wirkt auf die Elektronen zurück und ordnet sie zu winzigen Paketen, die im Gleichtakt strahlen. Die Lichtleistung wächst dadurch mit jedem Meter im Undulator.
Der wichtige Unterschied liegt in der davor stattfindenden Beschleunigung. Statt 768 gekühlter Resonatoren genügt am HZDR ein millimeterdünner Gasstrahl. Der Hochleistungslaser DRACO schießt infrarote Pulse hinein, der Puls reißt die Elektronen von den Atomen und erzeugt ein Plasma. Hinter dem Puls bildet sich eine Welle aus elektrischen Feldern, in der Elektronen mitgerissen und beschleunigt werden.
„Die Elektronen surfen praktisch auf einer Plasmawelle“, veranschaulicht Labat. Nach wenigen Millimetern haben sie Energien, für die ein konventioneller Beschleuniger viele Meter braucht.
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Die Strahlqualität war jahrelang das Hindernis
Das Prinzip der Plasmabeschleunigung ist seit etwa 20 Jahren bekannt. Ein FEL braucht aber Elektronen mit sehr ähnlicher Energie und enger Bündelung, sonst bilden sich die Pakete im Undulator nicht. Die Wechselwirkung zwischen Laser und Plasma verläuft nichtlinear, kleine Schwankungen im Laserpuls oder in der Gasdichte verändern die Eigenschaften des Elektronenstrahls. Jahrelang reichte die Qualität nicht aus.
2021 gelang einem Team des Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics erstmals ein Laser-Plasma-FEL im SASE-Modus, bei 27 nm. 2023 zeigten HZDR und SOLEIL den ersten geseedeten Laser-Plasma-FEL, damals allerdings nur im Low-Gain-Regime mit schwacher Verstärkung. „Stabilität, also Lichtblitze, die über Stunden oder sogar Tage konstant hohe Qualität halten, ist für alle Experimente an einem FEL enorm wichtig“, sagt Arie Irman vom Institut für Strahlenphysik des HZDR.
Laser und Plasma müssen exakt zusammenpassen
Für den Schritt ins High-Gain-Regime hat das Team die Ladungsdichte des Elektronenstrahls pro Energieintervall erhöht und die Laserparameter auf die Plasmabedingungen abgestimmt. „Es ist uns gelungen, den Laser präzise auf das Plasma abzustimmen“, sagt Susanne Schöbel, Physikerin am HZDR. „Dank des gut kontrollierten Elektronenstrahls konnten wir mit unserem Undulator stabil und reproduzierbar intensive ultraviolette Lichtblitze erzeugen.“
Im 2 m langen Undulator beobachteten die Forschenden das exponentielle Wachstum der Lichtleistung, die Messwerte stimmen mit numerischen Simulationen überein. Zusätzlich variierten sie systematisch die Dauer und damit die Leistung des Seed-Pulses. Solche Messreihen waren bisher nur an FEL mit konventionellen Beschleunigern möglich. „Das ist ein bedeutender Fortschritt gegenüber den Ergebnissen, die wir 2023 veröffentlicht haben“, so Irman.
Berkeley war mit einem anderen Ansatz schneller
Die HZDR-Meldung bezeichnet das Ergebnis als Premiere. Das gilt für die Kombination aus Seeding und High-Gain. Bei der Stabilität war ein Team des Lawrence Berkeley National Laboratory früher dran: Es betrieb 2025 einen Laser-Plasma-FEL im SASE-Modus bei 420 nm mit mehr als 1000-facher Verstärkung, über eine Stunde bei 1 Hz zeigten über 90 % der Schüsse FEL-Verstärkung. 2026 berichtete dieselbe Gruppe von über 8 h Dauerbetrieb. Der Dresdner Ansatz liefert dafür kohärentes, kontrollierbares Licht, was SASE nicht kann.
Der Weg zu EUV und Röntgenlicht ist noch weit
Der European XFEL erzeugt Wellenlängen zwischen 0,05 nm und 4,7 nm. Die Dresdner Anlage liegt mit 272 nm um mehrere Größenordnungen darüber. Auch die Pulsenergie von 45 nJ ist weit von den Werten der Großanlage entfernt, was schon am Undulator liegt: In Schenefeld sind die beiden Undulatoren für hartes Röntgenlicht jeweils 212 m lang, in Dresden sind es 2 m. Das Team will die Wechselwirkung zwischen Laser und Plasma sowie den Undulator weiter optimieren.
„Lichtblitze auf dieser ultravioletten Wellenlänge sind nur der Anfang“, sagt Irman. Nächstes Ziel ist extrem ultraviolettes Licht (EUV) mit Wellenlängen um 13,5 nm, das in der Chipfertigung für die Belichtung der feinsten Strukturen dient. Ein kompakter EUV-FEL könnte laut Irman die Qualitätskontrolle solcher Chips effizienter machen. Bis Laser-Plasma-FEL die Großanlagen im Forschungsbetrieb ergänzen, dürften nach Einschätzung der Forschenden noch einige Jahre vergehen.
Quellen
- HZDR: Pressemitteilung vom 14.9.2026
- Labat et al.: „Laser-Plasma Based Seeded Free Electron Laser in the High-Gain Regime“, Physical Review Letters 136, 245001 (2026)
- Labat et al.: „Seeded free-electron laser driven by a compact laser plasma accelerator“, Nature Photonics 17, 150 (2023)
- Barber et al.: „Greater than 1000-fold Gain in a Free-Electron Laser Driven by a Laser-Plasma Accelerator with High Reliability“, Physical Review Letters 135, 055001 (2025)
- European XFEL: Facts and Figures
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