DESYs Röntgenlaser FLASH ist dank eines neuen optischen Systems die weltweit am genauesten synchronisierte Anlage ihrer Art. Durch das neu entwickelte optische Synchronisierungssystem können alle Komponenten der Anlage mit einer Präzision von einigen Femtosekunden aufeinander abgestimmt werden. Eine Femtosekunde ist eine millionstel milliardstel Sekunde. Die Präzisionssynchronisierung ermöglicht ultraschnelle Experimente mit höchster Zeitauflösung, wie die Entwickler um Holger Schlarb und Sebastian Schulz von DESY und Adrian Cavalieri vom Max-Planck-Institut für Struktur und Dynamik der Materie auf dem Hamburger DESY-Campus im Fachjournal "Nature Communications" berichten.

Freie-Elektronen-Laser (FEL) wie FLASH erzeugen ultrakurze, extrem intensive, laserartige Lichtblitze, indem sie schnelle Elektronen aus einem Teilchenbeschleuniger durch einen magnetischen Slalomkurs schicken. In jeder Kurve senden die Teilchen winzige Lichtblitze aus, die sich zu einem intensiven, laserartigen Puls verstärken. Mit FELs im Röntgenbereich können Forscher dynamische Prozesse im Mikrokosmos studieren, wie beispielsweise chemische Reaktionen, die zum Teil in Femtosekundenbereich ablaufen, oder die Eigenschaften von Biomolekülen. Voraussetzung für diese Untersuchungen ist allerdings, dass die Lichtblitze und alle Komponenten der Anlage mit höchstmöglicher Präzision synchronisiert sind.

Das Team um Schulz, Schlarb und Cavalieri hat nun ein rein optisches System zur Synchronisierung entwickelt und implementiert, das eine rund zehnfach bessere Genauigkeit erlauben soll als die elektronischen Systeme, die üblicherweise zur Synchronisierung verwendet werden. In diesem Schlüsselexperiment taktete das optische Synchronisierungssystem alle unabhängigen Beschleunigersystemen und externen Versuchslaser bei FLASH mit einer Genauigkeit von 28 Femtosekunden – bloß ein Bruchteil der 90 Femtosekunden langen Röntgenlaserblitze. Die beste mit elektronischen Systemen erreichbare Synchronisierungsgenauigkeit beträgt etwa 100 Femtosekunden – eine Limitierung, die das wissenschaftliche Potenzial der FELs bei manchen Anwendungen einschränkt und deren Weiterentwicklung begrenzt.

Die optische Synchronisierung verbessert die Eigenschaften der Röntgenlaserblitze in aller Regel, unter anderem die Stabilität der Ankunftszeit, die Photonenenergie, Intensität und Pulsdauer. Aus Sicht der Experimentatoren ist jedoch die Bereitstellung von Röntgenblitzen mit stabil bleibenden Eigenschaften zum passenden Zeitpunkt nur die „halbe Miete“. Ebenso wichtig sind zeitgleich eintreffende, unabhängige optische Laserpulse, erzeugt durch vergleichsweise kompakte Lasersysteme in der FLASH-Experimentierhalle, mit denen ultraschnelle Prozesse wie chemische Reaktionen in Molekülen oder Phasenübergänge in Materialien ausgelöst werden. Die Entwicklung dieser komplexen dynamischen Prozesse kann dann mit Hilfe der Röntgenlaserblitze studiert werden. Um solche Untersuchungen mit höchstmöglicher Zeitauflösung durchführen zu können, sollte der optische Laserpuls mit einer zeitlichen Präzision bereitgestellt werden, die nur ein Bruchteil der Röntgenlaser-Pulsdauer beträgt. Und genau dies leistet das erstmals bei FLASH demonstrierte optische Synchronisierungssystem.

Wie das Team weiter feststellte, ist die Qualität der optischen Synchronisierung in erster Linie durch die Dauer der Röntgenlaserblitze begrenzt, so dass die Genauigkeit bei kürzeren Röntgenpulsen noch besser werden sollte. Eine so präzise Synchronisierung würde nicht nur ultraschnelle Experimente mit höchster Zeitauflösung ermöglichen, sondern auch neue Möglichkeiten für die FEL-Weiterentwicklung eröffnen. So wird ein auf diesem Prototypen basierendes Synchronisationssystem auch für den künftigen Europäischen Röntgenlaser European XFEL essentiell sein, der zurzeit vom DESY-Gelände bis ins benachbarte Schenefeld gebaut wird.

Originalveröffentlichung: “Femtosecond all-optical synchronization of an X-ray free-electron laser”; Sebastian Schulz et al.; Nature Communications, 2015; DOI: 10.1038/ncomms6938