DRESDEN / LONDON (IT BOLTWISE) – Ein Forschungsteam von HZDR und SOLEIL betreibt einen Laser-Plasma-FEL erstmals stabil und reproduzierbar im High-Gain-Regime. Dabei erzeugen sie ultraviolette Lichtblitze mit 272 Nanometern Wellenlänge und hoher Pulsenergie. Entscheidend war die präzise Abstimmung von Laser und Plasma mit dem HZDR-Hochleistungslaser DRACO. Als nächstes Ziel nennen die Forschenden extrem ultraviolette Strahlung (EUV) für Anwendungen wie die effizientere Qualitätskontrolle nanostrukturierter Chips.
Extrem kurze und intensive Lichtblitze sind für viele Experimente in der Material- und Grundlagenforschung ein Zeitfenster, durch das sich Dynamik sichtbar machen lässt, bevor Prozesse in der Realität „durchlaufen“. Freie-Elektronen-Laser (FEL) liefern diese Impulse, weil sie Elektronenstrahlen in einen Zustand versetzen, der kohärente Strahlung mit sehr hoher Brillanz erlaubt. Der Engpass liegt allerdings weniger in der Physik als im Betrieb: An den großen Nutzeranlagen weltweit sind Messzeiten knapp, Warteschlangen entsprechend lang. Genau an dieser Stelle setzen kompakte Konzepte wie der Laser-Plasma-FEL an, weil sie den Aufbau großer Beschleunigerringe perspektivisch durch eine deutlich kleinere Laser-Plasma-Beschleunigung ersetzen könnten.
Der neue Schritt, der aus Dresden-Rossendorf und nahe Paris gemeldet wird, betrifft nicht nur die Erzeugung von FEL-Strahlung, sondern deren Betriebsstabilität im besonders leistungsfähigen High-Gain-Regime. Die Forschenden berichten, dass sie einen Laser-Plasma-FEL erstmals stabil und reproduzierbar über längere Zeit im High-Gain-Betrieb gefahren haben. Im Ergebnis entstanden ultraviolette Lichtblitze mit einer Wellenlänge von 272 Nanometern und hoher Pulsenergie; zugleich zeigte die FEL-Leistung das für dieses Regime typische exponentielle Wachstum. Für FEL-Anwendungen ist das mehr als ein Kurvenplot: Wenn Puls-zu-Puls-Variationen oder Drift über Stunden zunehmen, werden präzise Messreihen, Kalibrierungen und reproduzierbare Experimente unverhältnismäßig aufwendig.
Technisch lässt sich der Laser-Plasma-FEL als Brücke zwischen zwei Welten beschreiben: dem klassischen FEL-Prinzip und der neueren Laser-Plasma-Beschleunigung. Ähnlich wie bei konventionellen Anlagen müssen auch hier zunächst hochenergetische Elektronen entstehen, die sich nahezu mit Lichtgeschwindigkeit bewegen. Anschließend lenkt ein Undulator – eine Anordnung vieler Magneten – die Elektronen auf eine schlingernde Bahn. Dabei ordnen sich die Elektronen zu Mikro-Paketen an und senden intensives, kohärentes Licht aus. Der zentrale Unterschied steckt jedoch im Weg dorthin: In einem Laser-Plasma-FEL wird die Elektronenenergie nicht über einen langen Beschleunigerweg erreicht, sondern indem der Laser eine Plasmawelle erzeugt und die Elektronen darauf „surfen“.
Für die praktische Umsetzung nennen die Forschenden eine Größenordnung, die den Zeit- und Platzvorteil greifbar macht: Solche Beschleuniger können bei konventionellen Ansätzen bis zu rund zwei Kilometer Länge benötigen, während sich die Strecke in einem Laser-Plasma-FEL laut ihren Angaben um etwa das Tausendfache verkürzen lässt. Entscheidend ist dabei, wie gut Laser und Plasma zusammenwirken. Im konkreten Aufbau kam der HZDR-Hochleistungslaser DRACO zum Einsatz: In einem millimeterdünnen Gasstrahl erzeugten seine Infrarotpulse das benötigte Plasma. Der Erfolg hing wesentlich davon ab, den Laser exakt auf das Plasma abzustimmen, weil die Wechselwirkung durch nichtlineare Prozesse geprägt ist, die sonst schwer konsistent einzuregeln sind. Gerade diese Präzision ist im Alltag eines Nutzerbetriebs der Engpass: Wenn die Kopplung schwankt, schwankt später auch die Elektronenqualität – und damit die Qualität der FEL-Strahlung.
Auch die Undulator-Strecke spielt dabei eine Rolle, weil die Verstärkung im High-Gain-Regime empfindlich auf die Abstimmung der Elektronenstrahlparameter reagiert. Laut den Angaben erreichte das Team mit dem gut kontrollierten Elektronenstrahl stabile ultraviolette Lichtblitze, wobei das exponentielle Wachstum der Laserleistung als charakteristisches Merkmal beobachtet wurde. Genau dieses Wachstum steht in Verbindung mit der Art, wie sich die Strahlung im Verstärkungsmedium aufbaut: Im High-Gain-Regime kann die Feldstärke so rasch zunehmen, dass das System innerhalb kurzer Längenabschnitte in einen Zustand übergeht, in dem die Laserleistung nicht linear „mitläuft“, sondern dynamisch anwächst. Für das Ziel „kompakt statt kilometerweit“ ist das deshalb ein wichtiger Nachweis, denn es zeigt, dass das System nicht nur Strahlung erzeugt, sondern die für hohe Verstärkung erforderliche Betriebslogik tatsächlich hält.
Mit der Stabilität ist die Entwicklung jedoch noch nicht abgeschlossen. Die Forschenden wollen die Qualität der Lichtblitze weiter steigern, indem sie sowohl die Laser-Plasma-Wechselwirkung als auch die Undulator-Strecke weiter optimieren. Im Blick steht dabei eine Verschiebung in Richtung extrem ultravioletter (EUV) Wellenlängen, die für industrielle Anwendungen besonders relevant werden könnten. EUV-Strahlung wird in der Chipindustrie vor allem wegen ihrer Wechselwirkung mit sehr kleinen Strukturen interessant; das Team nennt als Motivation eine effizientere Qualitätskontrolle nanostrukturierter Computerchips. Auch wenn zwischen Laboraufbau und regelhaft nutzbarer Nutzeranlage typischerweise noch mehrere Entwicklungsstufen liegen, macht die aktuelle Demonstration deutlich, dass Laser-Plasma-FELs die Messzeit-Problematik perspektivisch adressieren könnten – sobald Wiederholbarkeit, Strahlqualität und Gesamtbetriebskosten zusammenpassen.
Für die Branche ist außerdem die Einordnung in den Forschungswettbewerb wichtig: FEL-Technologie ist nicht „nur ein Gerät“, sondern ein System aus Strahlquelle, Beschleunigung, magnetischer Mikrostruktur und Regelung. Der Fortschritt liegt deshalb weniger in einem einzelnen Bauteil als in der Kette aus Abstimmung und Stabilisierung. Wenn es gelingt, kompaktes Design mit kontrollierter High-Gain-Verstärkung zu verbinden, eröffnet das auch Entwicklungsmöglichkeiten für Betreiber, die keine kilometerlangen Infrastrukturen planen. Gleichzeitig bleibt die nächste Herausforderung klar: die EUV-Targets so zu erreichen, dass der Nutzerbetrieb nicht wieder mit neuen Schwankungen oder Kalibrieraufwänden belastet wird. Bis dahin lohnt sich die Beobachtung, wie schnell sich die jetzt gezeigten Stabilitätsprinzipien auf größere Parameterbereiche übertragen lassen.
Die Ergebnisse werden in einer Veröffentlichung von M. Labat, S. Schöbel, A. Ghaith et al. beschrieben: „Laser-Plasma Based Seeded Free Electron Laser in the High-Gain Regime“, Physical Review Letters 136, 245001 (16. Juni 2026), DOI: 10.1103/ndsf-kyr4. Für das technische Publikum ist dabei vor allem die Kombination aus seeded Ansatz und High-Gain-Konzept zentral, weil sie die Wahrscheinlichkeit erhöht, dass sich reproduzierbare Eigenschaften in einem FEL-System nicht nur kurzfristig, sondern im Verlauf des Betriebs stabil halten lassen. Damit verschiebt sich die Debatte weg von der reinen Machbarkeit hin zu den Parameterfenstern, innerhalb derer ein kompakter Laser-Plasma-FEL im echten Alltag zuverlässig funktioniert.
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