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Die Erfindung des Lasers vor 60 Jahren hat die Wissenschaft und das tägliche Leben verändert. Ein Überblick über die Entwicklung der Laser und Röntgenlaser
Vor sechzig Jahren, am 16. Mai 1960, nahm Theodore Maiman an den Hughes Research Laboratories in Kalifornien den ersten Laser in Betrieb. Seitdem haben Laser sowohl das Alltagsleben als auch die Wissenschaft revolutioniert. Laser sind auch für die Forschung am European XFEL von grundlegender Bedeutung. Eine Reihe von öffentlichen Vorlesungen auf dem Forschungscampus in Schenefeld, die anlässlich dieses Jubiläums geplant waren, hat European XFEL aufgrund der Corona-Pandemie auf einen späteren Zeitpunkt verschoben.
Als 2017 der European XFEL in Betrieb ging, der größte Röntgenlaser und eine der hellsten Lichtquellen der Welt, war ein Höhepunkt des wissenschaftlichen Fortschritts in der Laser- und Röntgenlasertechnologie erreicht.
Bei den seit Anfang der 1960er Jahre entwickelten Lasern im sichtbaren Wellenlängenbereich wird aus Elektronenübergängen in Atomen oder Molekülen Strahlung erzeugt. Das emittierte Licht wird dann kontinuierlich zwischen Spiegeln verstärkt. Das so erzeugte qualitativ hochwertige Laserlicht prägt heute viele Anwendungen im Alltag. Die Beispiele reichen von beeindruckenden Lichtinstallationen über hochpräzise chirurgische Instrumente, Breitband-Telekommunikation, Komponenten in elektrischen Geräten bis hin zum Laserpointer.
1971 erzeugte der amerikanische Physiker John Madey erstmals laserartiges Licht durch Emission mit Hilfe beschleunigter Elektronen. Die von solchen Freie-Elektronen-Lasern oder FELs erzeugte Strahlung kann einen breiten Bereich des elektromagnetischen Spektrums abdecken – von Mikrowellen bis hin zu Röntgenstrahlen. Die nächsten Jahrzehnte brachten weitere Meilensteine in der technischen Entwicklung von Freie-Elektronen-Lasern für Forschungsanwendungen.
Ein Jahrzehnt später wurde der Prozess der "selbstverstärkten spontanen Emission" (SASE, self-amplified spontaneous emission) beschrieben, zuerst von den russischen Physikern Evgeny Saldin, Anatoli Kondratenko und Yaroslav Derbenev am Institut für Kernphysik in Novosibirsk. Zwei Jahre danach präsentierte der italienisch-amerikanische Physiker Claudio Pellegrini zusammen mit Rodolfo Bonifacio und Lorenzo Narducci das gleiche Prinzip unabhängig von ihren russischen Kollegen. Der SASE-Prozess, bei dem das von beschleunigten Elektronen emittierte Röntgenlicht mit anderen beschleunigten Elektronen in Wechselwirkung tritt, um ein noch helleres Röntgenlicht zu erzeugen, ist die Grundlage der Freie-Elektronen-Röntgenlaser-Technologien (XFEL). Im Jahr 2005 konnte das Deutsche Elektronen-Synchrotron DESY am weltweit ersten XFEL, dem "Freie-Elektronen-Laser in Hamburg" (FLASH), die ersten Nutzer begrüßen.
Freie-Elektronen-Laser im harten, kurzwelligen Röntgenbereich sind heute auch in den USA (LCLS), Japan (SACLA), der Schweiz (SwissFEL) und Südkorea (PAL-XFEL) in Betrieb. Ein weiterer großer Röntgenlaser (SHINE) ist in China geplant und soll 2025 den Betrieb aufnehmen.
Röntgenlaser ermöglichen es den Wissenschaftlern heute, die atomaren Strukturen von Materialien in noch nie dagewesenen Details zu untersuchen. Laser, die mit sichtbarem Licht arbeiten, sind für die Forschung an großen Röntgenlaser-Anlagen ebenfalls von großer Bedeutung. In Kombination mit Röntgenstrahlen können die Wissenschaftler nun die komplizierten Abläufe biologischer und chemischer Reaktionen und weit entfernte Welten beleuchten. In so genannten Pump-Probe-Experimenten lassen sich mit solchen Lasern zum Beispiel Reaktionen in lichtempfindlichen Proteinen auslösen. Mit dem Röntgenlaser wird dann ein Bild der Struktur des Proteins nach einer sorgfältig eingestellten Zeitverzögerung aufgenommen. Wird der Vorgang mit unterschiedlichen Zeitverzögerungen wiederholt, lässt sich aus vielen Standbildern ein molekularer Film erstellen.
Am European XFEL wird außerdem ein speziell gebauter Hochenergielaser extreme Temperaturen und Drücke in Materialien erzeugen, die die Bedingungen im Inneren von Exoplaneten mit Temperaturen von bis zu 10.000°C und Drücken von bis zu 10.000 Tonnen pro Quadratzentimeter simulieren. Die atomare Struktur und Materialveränderungen können dann ebenfalls mit den Röntgenblitzen des European XFEL untersucht werden.
European XFEL-Geschäftsführer Prof. Robert Feidenhansl: „60 Jahre nach der Erfindung des Lasers helfen uns am European XFEL leistungsstarke Laser dabei, die kleinsten Details des Mikrokosmos zu erforschen. Laser sind ein Beispiel dafür, wie ein Gerät die Forschung und unser Leben in einer Weise verändert hat, die bei seiner Erfindung in keiner Weise absehbar waren.“
Über European XFEL
European XFEL ist eine internationale Forschungsanlage der Superlative in der Metropolregion Hamburg: 27.000 Röntgenlaserblitze pro Sekunde und eine Leuchtstärke, die milliardenfach höher ist als die der besten Röntgenstrahlungsquellen herkömmlicher Art eröffnen völlig neue Forschungsmöglichkeiten. Forschergruppen aus aller Welt können an dem europäischen Röntgenlaser atomare Details von Viren und Zellen entschlüsseln, dreidimensionale Aufnahmen im Nanokosmos machen, chemische Reaktionen filmen und Vorgänge wie die im Inneren von Planeten untersuchen. European XFEL ist eine gemeinnützige Forschungsorganisation, die eng mit dem Forschungszentrum DESY und weiteren internationalen Institutionen zusammenarbeitet. Sie beschäftigt mehr als 450 Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter. Mit Kosten von 1,25 Milliarden Euro (Preisniveau 2005) für Bau und Inbetriebnahme und einer Länge von 3,4 Kilometern ist European XFEL eine der größten und ambitioniertesten neuen europäischen Forschungseinrichtungen. Derzeit beteiligen sich zwölf Länder: Dänemark, Deutschland, Frankreich, Italien, Polen, Russland, Schweden, die Schweiz, die Slowakei, Spanien, Ungarn und das Vereinigte Königreich. Deutschland (Bundesministerium für Bildung und Forschung sowie die Länder Hamburg und Schleswig-Holstein) trägt 57 Prozent der Kosten für die Einrichtung, Russland 26 Prozent. Die anderen Partnerländer sind mit ein bis drei Prozent beteiligt.
http://www.xfel.eu/aktuelles/news/index_ger.html?openDirectAnchor=1781&two_c... Bilder zur Presseinformation
Merkmale dieser Pressemitteilung:
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Physik / Astronomie
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