Volltext - Universität Hamburg

2. Grundlagen von Freie Elektronen Lasern
Ein Freie-Elektronen-Laser (FEL) ist ein Oberbegriff für eine Klasse von beschleunigerbasierten
Lichtquellen, bei der Elektronen kohärent elektromagnetische Wellen abstrahlen. Die kohärent
abgestrahlte Leistung nimmt bezüglich der Anzahl der Elektronen quadratisch zu, im Gegensatz
zur linearen Abhängigkeit bei inkohärenter Abstrahlung. Zu unterscheiden sind dabei „schwach“
verstärkende FELs (Madey, 1979) und „stark“ verstärkende FELs (Kondratenko et al., 1980;
Bonifacio et al., 1984). Die Begrifflichkeit „stark“ bzw. „schwach“ bezieht sich dabei auf die
Änderung des elektromagnetischen Feldes beim Durchgang durch den Undulator. Ist die Zunahme
der Amplitude klein gegenüber der Eingangsamplitude des elektromagnetischen Feldes wird
von einem „schwach“ verstärkende FEL gesprochen (siehe Abschnitt 2.6.1). Ist die Änderung
der Amplitude beim Durchgang durch den Undulator so groß, dass die Änderung der Amplitude
entlang des Undulators berücksichtigt werden muss, wird von einem „stark“ verstärkenden
FEL gesprochen (siehe Abschnitt 2.6.2). Drei Klassen von FELs werden unterschieden:
• FEL-Verstärker
• SASE-FEL
• FEL-Oszillator
um den Verstärkungsprozess grundsätzlich einzuordnen. Der Verstärkungsmechanismus eines
FEL-Verstärkers bildet die Grundlage für alle FELs, der Verstärkung eines elektromagnetischen
Feldes in einem Undulator durch ein Elektronenpaket. FEL-Verstärker-Experimente für
kurze Wellenlängen werden im „stark“-verstärkenden Regime betrieben. Ein SASE-FEL ist
ein FEL-Verstärker mit der Besonderheit, dass dieser das initiale Lichtfeld selbst erzeugt. Der
FEL-Oszillator wird grundsätzlich im „schwach“-verstärkenden Regime betrieben. Im Gegensatz
zu einem SASE-FEL oder Verstärker-Experimenten, bei dem Sättigung der Amplitude des
elektromagnetischen Feldes innerhalb eines Undulatordurchlaufs erreicht wird, werden für das
Erreichen der Sättigung beim XFELO viele Undulatordurchgänge von Elektronenpaketen und
Photonpuls benötigt. Das erfordert eine optische Anordnung, die das elektromagnetische Feld
wieder zum Undulatoranfang bringt und kontinuierlich aufeinander folgende Elektronenpakete.
Im folgenden Abschnitt werden unterschiedliche FEL-Konfigurationen näher beschrieben.
Zunächst wird eine phänomenologische Einführung zu FELs gegeben und anschließend eine
mathematische Beschreibung. Die mathematischen Grundlagen sind gegliedert in Undulatorstrahlung,
die Wechselwirkung eines elektromagnetischen Feldes mit einem Elektronpaket in
Anwesenheit eines periodischen Magnetfeldes und die eindimensionale Theorie von „schwach“
und „stark“ verstärkenden FELs diskutiert. Anschließend werden die Eigenschaften der erzeugten
Lichtpulse diskutiert.
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