Seit 2005 steht den Forschern bei DESY eine einmalige Lichtquelle zur Verfügung: FLASH, der weltweit einzige Freie-Elektronen-Laser im Vakuum-Ultravioletten und im weichen Röntgenbereich. Die Anlage spielt in mehrfacher Hinsicht eine Vorreiterrolle. Als erster Freie-Elektronen-Laser im Röntgenbereich mit supraleitendem Linearbeschleuniger liefert sie unentbehrliche Erkenntnisse für die Entwicklung von Beschleunigern und Röntgenlasern der Zukunft. Zugleich bietet sie Forschern fast aller Naturwissenschaften bisher nie dagewesene Experimentiermöglichkeiten.

Rekordlaser im Röntgenbereich

Seit Jahren wetteiferten die Strahlungsquellenbauer weltweit darum, den ersten Hochleistungslaser für den Röntgenbereich zu entwickeln. Das internationale FLASH-Team stellte dabei einen Weltrekord nach dem anderen auf. Die FLASH-Experten verkürzten die Wellenlänge der erzeugten Laserstrahlung immer weiter, bis 2007 schließlich der Zielwert von 6,5 Nanometern erreicht war. Zwei Jahre lang blieb FLASH unübertroffen. Erst 2009 ging in Kalifornien mit der LCLS-Anlage ein Freie-Elektronen-Laser in Betrieb, der noch kürzere Wellenlängen im harten Röntgenbereich um 0,15 Nanometern liefert. Dennoch bleibt FLASH weiterhin einmalig: Der Freie-Elektronen-Laser bei DESY ist weiterhin die einzige Laseranlage auf der Welt, die leistungsstarke und ultrakurze Lichtblitze im Vakuum-Ultravioletten und im weichen Röntgenbereich liefert, bis hinunter zu einer Wellenlänge von mittlerweile knapp über 4 Nanometern.

Dabei übertrifft FLASH sowohl die besten Synchrotronstrahlungsquellen als auch die modernsten herkömmlichen Lasersysteme im Röntgenbereich. Während Synchrotronstrahlungsquellen zwar stark gebündelte Strahlung liefern, erzeugt FLASH Licht mit echten Lasereigenschaften, also perfekt gebündelte Strahlen. Herkömmliche Laser bieten im Röntgenbereich nur geringe Leistungen – die Spitzenleuchtstärke von FLASH ist um Größenordnungen höher, sogar als die moderner Synchrotronstrahlungsquellen. Da die Laserstrahlung bei FLASH außerdem in ultrakurzen Blitzen abgegeben wird, eröffnen sich den Forschern mit der DESY-Anlage einzigartige Experimentiermöglichkeiten.

Heiß begehrt

Die FLASH-Anlage bei DESY ist als Nutzereinrichtung für die Forschung mit kurzwelliger ultravioletter und weicher Röntgenstrahlung im Einsatz. Die Messzeit an den fünf Messplätzen ist heiß begehrt – ein Jahr nach Beginn des Nutzerbetriebs war die Anlage bereits dreifach überbucht. Schon während der ersten Messperiode bestätigten sich die großen Hoffnungen, die die Forscher in die revolutionär neuen Messmöglichkeiten gesetzt hatten. Entsprechend gibt es zahlreiche Interessenten für weitere Projekte an FLASH, aus Bereichen wie der Physik, Chemie oder Molekularbiologie.

Doch FLASH ist nicht nur als neuartiges Forschungsinstrument gefragt. Die Anlage spielt zudem eine wichtige Pionierrolle für künftige größere Freie-Elektronen-Laser, wie den im Bau befindlichen Röntgenlaser European XFEL, der Lichtblitze im harten Röntgenbereich erzeugen wird. An FLASH entwickeln und testen die Wissenschaftler, Techniker und Ingenieure sowohl die supraleitende Beschleunigertechnologie, die beim European XFEL zum Einsatz kommt, als auch die Undulatoren – jene speziellen Magnetanordnungen zur Erzeugung der Röntgenblitze – sowie die optischen Komponenten, Messaufbauten und Nachweisgeräte. Ebenso wertvolle Erfahrung sammeln sie beim Betrieb von FLASH mit der elektronischen Verarbeitung großer Datenmengen. Nicht zuletzt können die Forscher an FLASH neuartige Experimentiermethoden für die künftigen Röntgenlaser studieren.

Einmalige Experimentiermöglichkeiten

Die außergewöhnlichen Eigenschaften der FLASH-Strahlung eröffnen Forschern fast aller Naturwissenschaften nie dagewesene Experimentiermöglichkeiten. So übertrifft die Spitzenleuchtstärke von FLASH die der modernsten Synchrotronstrahlungsquellen um das Zehnmillionenfache und erlaubt damit bisher undurchführbare Untersuchungen beispielsweise von Prozessen der Astrophysik an extrem verdünnten Proben. Die Strahlung ist laserartig, also kohä­rent, und die Wellenlänge lässt sich im Bereich von 4 bis 60 Nanometern einstellen. Besonders wichtig ist auch die extrem kurze Dauer der Strahlungspulse, die nur 10 bis 50 Femtosekunden (billiardstel Sekunden) beträgt. Wie mit einem ultraschnellen Stroboskop können die Wissenschaftler damit zukünftig schnelle Abläufe wie die Bildung von chemischen Bindungen filmen oder etwa die Vorgänge bei der magnetischen Datenspeicherung direkt beobachten.

Die hohe Energie der Strahlung erlaubt es, im Labor Energiedichten in Materie herzustellen, wie man sie sonst nur im Kosmos findet, und eröffnet daher auch für die Plasmaphysik neuen Zugang zu offenen Fragen. Besonders interessant ist auch der Wellenlängenbereich um 13,5 Nanometer, denn Strahlung dieser Wellenlänge wird in der Halbleiterindustrie benötigt, um mit Hilfe der EUV (extreme ultraviolet)-Lithographie die zukünftige Generation von Mikroprozessoren herzustellen.

Für die Lebenswissenschaften ist der Wellenlängenbereich zwischen 2,3 und 4,4 Nanometern, der als „Wasserfenster“ bezeichnet wird, ausschlaggebend. Im Wasserfenster absorbieren die Kohlenstoffatome in organischer Materie die Strahlung sehr gut, während das umgebende Wasser transparent und damit unsichtbar bleibt. Dieser Wellenlängenbereich wird von den Oberschwingungen des FLASH-Lasers und seit 2010 auch von der Grundwellenlänge erreicht. Dadurch werden für die Biologen bisher undurchführbare Untersuchungen zugänglich, etwa holographische Aufnahmen von Zellsystemen mit Hilfe eines einzigen Lichtpulses aus der FLASH-Anlage.

Technologie für die Beschleuniger von morgen

Auch in technologischer Hinsicht dringt FLASH weit in Neuland vor. Der Freie-Elektronen-Laser funktioniert nach dem SASE-Prinzip (Self-Amplified Spontaneous Emission), einem besonderen Verstärkungsprozess. Dabei fliegen Elektronen aus einem Teilchenbeschleuniger durch eine periodische Magnetanordnung, den Undulator, der sie auf einem rasanten Slalomkurs zur Aussendung von Lichtblitzen zwingt. Diese verstärken sich nach dem SASE-Prinzip zu kurzwelligen, intensiven Laserlichtblitzen.

Ein besonderes Merkmal bei FLASH ist der Einsatz supraleitender Beschleunigertechnik, um die Elektronen auf die erforderlichen hohen Energien zu bringen.

Die hierfür eingesetzte Technologie wurde vom internationalen Team der TESLA Collaboration von 1992 bis 2004 bei DESY entwickelt und erprobt. In den auf minus 271 Grad Celsius gekühlten Beschleunigungselementen, den Resonatoren, fließt der Strom verlustfrei, so dass praktisch die gesamte eingespeiste elektrische Leistung auf die Teilchen übertragen werden kann – eine äußerst effiziente Methode der Beschleunigung. Außerdem liefern die supraleitenden Resonatoren einen sehr feinen und gleichmäßigen Elektronenstrahl von extrem hoher Qualität. Ein solcher spezieller Teilchenstrahl ist die Voraussetzung dafür, einen Freie-Elektronen-Laser im Röntgenbereich überhaupt betreiben zu können.

Die supraleitende TESLA-Beschleunigertechnologie bildet die Grundlage für zwei weitere Großprojekte: den Röntgenlaser European XFEL mit seinem rund 1,5 Kilometer langen Linearbeschleuniger und das Zukunftsprojekt der Teilchenphysik, den in weltweiter Zusammenarbeit geplanten International Linear Collider ILC. Dessen zwei, bis zu 20 Kilometer lange Beschleunigungsstrecken sollen ebenfalls mit supraleitenden Resonatoren bestückt werden. Beim Betrieb des 120 Meter langen Linearbeschleunigers von FLASH können die Wissenschaftler und Ingenieure deshalb für beide Projekte wichtige Erkenntnisse gewinnen. Auch für Industrieunternehmen ist die Beteiligung an der FLASH-Anlage langfristig sehr attraktiv, da sie sich durch das erworbene technische Know-how für den European XFEL und den Bau weiterer Linearbeschleuniger weltweit qualifizieren können.