03.10.2011

Die Kohärenz macht´s

Erste direkte Messungen der Kohärenzeigenschaften von LCLS veröffentlicht

Freie-Elektronen-Laser eröffnen faszinierende Einblicke in die kleinsten Strukturen, ultraschnelle Dynamik und Funktion von Materie. Mit ihren ultrakurzen Röntgenblitzen von nur wenigen Femtosekunden und ihrer einmaligen Helligkeit ermöglichen sie den Wissenschaftlern, Filme im Nanokosmos aufzunehmen, und so zu verstehen, wie Reibung, Katalyse, Photosynthese oder andere interessante Prozesse in der Natur auf atomarer Ebene ablaufen.

Neben der Helligkeit und Dauer der Röntgenblitze ist ein Schlüsselparameter für solche Experimente die so genannte Kohärenz des FEL-Strahls. Perfekte Aufnahmen von Atomen und Molekülen sind dann möglich, wenn die Wellen des Laserlichts im Gleichtakt schwingen. Ein internationales Wissenschaftlerteam unter der Leitung von Dr. Ivan Vartaniants von DESY hat jetzt erstmals die Kohärenzeigenschaften des Röntgenlasers LCLS am SLAC in Kalifornien vermessen. Ihre Ergebnisse hat die Forschergruppe im Fachjournal Physics Review Letters veröffentlicht (DOI: 10.1103/PhysRevLett.107.144801).

Die Wissenschaftler haben für ihre Experimente einen gut etablierten Aufbau genutzt, eine Variante des klassischen Doppelspalt-Experiments. Das FEL-Licht wird dabei auf eine Blende mit zwei Löchern geleitet. Licht, das durch die Löcher scheint, überlagert sich hinter der Blende zu einem typischen Interferenzmuster von hellen und dunklen Bereichen. Aus der Form und dem Kontrast des Interferenzmusters können die Wissenschaftler bestimmen, wie gut die Laserwellen in Phase sind.

Durch die hohe Intensität des fokussierten LCLS-Strahls kann jede Blende nur einem einzigen Lichtblitz ausgesetzt werden. Deshalb arbeiteten die Forscher mit einer Serie von Doppellöchern, die auf einer Blende angeordnet waren. Mit jedem Lichtblitz wurde ein neuer Satz von Doppellöchern belichtet.

Die Forscher variierten in diesem Experiment die Abstände der Löcher und konnten so zusätzlich messen, wie groß der Teil des Röntgenstrahls ist, der für Kohärenzexperimente verwendet werden kann. Insgesamt wurden 110 Interferenzbilder analysiert, die bei einer Röntgenwellenlänge von 1,6 Nanometern geschossen wurden.

In ihren Auswertungen fanden die Wissenschaftler heraus, dass der LCLS-Röntgenstrahl eine hohe Kohärenz besitzt und fast der gesamte Röntgenlaserstrahl für Kohärenzexperimente verwendet werden kann, im Gegensatz zu den nur kleinen Anteilen, die hierfür an herkömmlichen Synchrotronstrahlungsquellen zur Verfügung stehen.