pdf-Datei: 981 KB
Werbung
Der Freie-Elektronen-Laser an der Strahlungsquelle ELBE Dr. Martin Sczepan Forschungszentrum Rossendorf Institut für Kern- und Hadronenphysik Institut für Kern- und Hadronenphysik Abteilung Biophysik Inhalt Laser für das Infrarot • Was macht den Bereich des IR interessant? • Der Infrarot-FEL im Vergleich zu anderen Lichtquellen Die Freie-Elektronenlaser in Rossendorf • Prinzipieller Aufbau eines Lasers • Aufbau eines FEL • Die optischen Resonatoren und Undulatoren • Das Anlaufen des Lasers • Parameter der im Aufbau befindlichen FEL Anwendungen für die FEL • Photothermische Spektroskopie • Pump-Probe-Spektroskopie • Nahfeldmikroskopie Institut für Kern- und Hadronenphysik Abteilung Biophysik MW KW UKW Das Spektrum elektromagnetischer Wellen LW Roentgenstrahlung γ Strahlung -> Ultraviolett Infrarot Wellenlänge: Frequenz: 1 km 1kHz 1m 1 mm 1 µm 1 nm 1meV 1eV 1keV 1 pm 1 fm 1GHz 1µeV Energie: Gebäude Lebewesen Institut für Kern- und Hadronenphysik Abteilung Biophysik Molekül Atomkern Nukleon Was macht den Bereich des IR interessant? IR-Absorptionsspektrum biologischer Moleküle am Beispiel von Proteinen und Zuordnung der Banden zu molekularen Schwingungen Amid-I C=O Streckschwingung Amid-II C-N Streckschwingung /Deformation Amid-A N-H Streckschwingung Institut für Kern- und Hadronenphysik Abteilung Biophysik Die Energie des infraroten Lichtes korrespondiert sowohl mit den Schwingungsenergien von Atomen und Molekülbestandteilen innerhalb von Molekülen als auch mit den Schwingungsenergien kristalliner Festkörper. Durch die Beobachtung des Schwingungsverhaltens lassen sich Rückschlüsse auf die molekulare Struktur und die Energieumverteilung innerhalb von Molekülen gewinnen. Damit ist ein direkter Zugriff auf chemische Informationen möglich. Wozu der Aufwand eines FEL? Spektrum der elektromagnetischen Wellen zwischen 100 nm und 500 µm und verfügbare konventionelle Laser-Lichtquellen Institut für Kern- und Hadronenphysik Abteilung Biophysik Der Infrarot-FEL im Vergleich zu anderen IR-Lichtquellen Vorteile Nachteile Thermische Quellen („Glühlampe“) Breiter Wellenlängenbereich, einfach und preiswert Geringe Intensität, keine kurzen Pulse Konventionelle IRLaser (z.B. CO2) Hohe Leistung, relativ preiswert, schmalbandige Emission Eingeschränkter Wellenlängenbereich, keine kurzen Pulse Kurzpulslaser mit nichtlinearen optischen Systemen zu Frequenzwandlung Breiter Wellenlängenbereich, extrem kurze Pulse Geringe Leistung, nur bis ca. 15 µm verfügbar Synchrotronstrahlung Breiter Wellenlängenbereich, hohe Leistung, breitbandige Emission Großer materieller und personeller Aufwand Freie Elektronenlaser Breiter Wellenlängenbereich, hohe Leistung, schmalbandige Emission, Kohärenz Großer materieller und personeller Aufwand Institut für Kern- und Hadronenphysik Abteilung Biophysik Was macht den FEL so besonders? Besondere Eigenschaften des vom FEL generierten IR-Lichtes: • • • • • • • kann in großem Wellenlängenbereich betrieben werden, Wechsel der Arbeitswellenlänge einfach und schnell möglich liefert kohärentes Licht schmalbandige Emission Erzeugung kurzer Pulse (um 1 ps) hohe Wiederholrate (13 MHz) große Pulsenergie (im µJ-Bereich) sehr hohe mittlere Leistung (bis 100 W) Institut für Kern- und Hadronenphysik Abteilung Biophysik Prinzipieller Aufbau eines Lasers • • • • • Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation Drei Prozesse im Medium: •Absorption •Spontane Emission •Stimulierte Emission Aufbau eines Lasers (Prinzip) Institut für Kern- und Hadronenphysik Abteilung Biophysik Aufbau eines Freie-Elektronen-Lasers Aufbau eines Freie-Elelektronen-Lasers (schematisch) Institut für Kern- und Hadronenphysik Abteilung Biophysik Die optischen Resonatoren Besonderheiten der Resonatoren •große Resonatorlänge (11,53 m) wegen 13 MHz Wiederholrate des Beschleunigers •Verwendung von sphärischen/toroidalen Metallspiegeln mit Goldbeschichtung •fast konfokales Design der Resonatoren •Verwendung eines partiellen Wellenleiters für besonders langwelliges Licht •Auskopplung des Lichtes durch Öffnungen im Zentrum der Auskoppelspiegel (Durchmesser 1,5-6 mm) Institut für Kern- und Hadronenphysik Abteilung Biophysik Die Undulatoren U27 U90 Undulatorperiode λU [mm] 27,3 90 Anzahl der Perioden N 2*34 26 Länge des Undulators [m] 1,86 2,34 Das Magnetfeld wird entweder mit Permanentmagneten (U27) oder Elektromagneten (U90) erzeugt. Es kann durch Veränderung des Abstandes der Magneten (gap) bzw. durch den Stromfluss durch die Elektromagneten variiert werden. Institut für Kern- und Hadronenphysik Abteilung Biophysik Aufbau eines Undulators Undulator U27 (Undulatorperiode 2,73 cm, 2*34 Perioden, Länge 1,86 m, Krms=0,3…0,8) Institut für Kern- und Hadronenphysik Abteilung Biophysik Spontane Emission im Undulator Undulatorparameter Krms K rms = Periodenlänge: λU Amplitude des Magnetfeldes: BU 40 Maximum der spontanen Emission: 3µm 35 4µm 2 1 + K rms λn = λU 2 2 nγ 5µm Ee [MeV] 30 2 1 + K rms λU [mm] λn ≈ 130,56 µm n (Ee [MeV])2 7µm 25 10µm 20 15 10 0.3 20µm 30µm 0.4 0.5 0.6 Krms Institut für Kern- und Hadronenphysik Abteilung Biophysik eBU λU ≈ 0,934 BU [T]λU [cm] 2π mc 0.7 0.8 Maximum der spontanen Emission in Abhängigkeit von Elektronenenergie Ee und Undulatorparameter Krms Das Anlaufen des Lasers ηsat G0 corr 0.3 0.2 11% Aopt (6.6%) 0.1 1% 0.0 I out 2 (kW/mm ) 120 Aopt (6.6%) 100 80 •Es gibt einen optimalen Auskoppelanteil, für den die vom Laser erzeugte Lichtintensität maximal ist 11% 60 1% 40 20 0 •Je nach Anteil des ausgekoppelten Lichtes benötigt der FEL 100-300 Pulsumläufe um die volle Intensität zu erreichen 0 100 200 N Institut für Kern- und Hadronenphysik Abteilung Biophysik 300 400 Anlaufen des FEL (Undulator U27) bei verschiedenen Auskopplungseffizienzen (N: Anzahl der Umläufe des Pulses im Resonator) Erwartete Leistungsparameter DH=1,5mm DH=3mm σt=0,7ps Institut für Kern- und Hadronenphysik Abteilung Biophysik σt=1,8ps Parameter der im Aufbau befindlichen FEL Elektronenstrahl Optischer Strahl Kinetische Energie 10-40 MeV Pulslänge einige ps Wellenlänge µm] Pulsladung ca. 80 pC Pulsenergie Wiederholrate 13 MHz, 77 ns Mittlerer Strom 1 mA Pulslänge mittlere Leistung U27 U90 5-25 25-150 ca. 1 µJ* 0,3-10 ps* 60 W 100 W bei 5µm bei 100 µm * abhängig von der Wellenlänge Institut für Kern- und Hadronenphysik Abteilung Biophysik Der FEL für das mittlere IR in Rossendorf Strahlungsquelle ELBE – Beschleuniger und Nutzerlabore Institut für Kern- und Hadronenphysik Abteilung Biophysik Nutzerlabore 113a/b: 113c: 113d: 113e, f: 113g: Halbleiterspektroskopie fs-Verstärkersystem und Spektroskopie Strahldiagnose und Nahfeldspektroskopie Labore für externe Nutzer Radiochemie Institut für Kern- und Hadronenphysik Abteilung Biophysik Strahldiagnose Aufbau des Strahldiagnosesystems Institut für Kern- und Hadronenphysik Abteilung Biophysik 1 Eintrittsfenster 2 Strahlteiler 3 Chopper 4 Leistungsüberwachung 5 Mehrkanalspektrometer 6 48-kanaliges pyroelektrisches Array 7 Hg-Cd-Te or Ge-Ga Detektor 8 Si-Schaltelement 9 Nd:Vanadat-Lasersystem 10 Abschwächer 11 Mikropuls-Leistungsdetektor 12 Leistungsdetektor 13 Polarizations-Dreheinrichtung 14 Autokorrelator 15 IR Strahlfänger Anwendungen I – Photothermische Spektroskopie FEL Beam HeNe-Laser Photodiode Sample Oscilloscope Aufbau eines photothermischen Experiments Institut für Kern- und Hadronenphysik Abteilung Biophysik Funktionsprinzip: •Der gepulste FEL-Strahl erzeugt thermische Fluktuationen in der Probe, die sich auf die darüber liegende Luftschicht auswirken •Die Fluktuationen des Brechungsindex der Luftschicht werden durch die Ablenkung eines zweiten Laserstrahls (HeNe) erfasst •Aus der Wellenlängenabhängigkeit der Fluktuationen lässt sich das Absorptionsspektrum der Probe rekonstruieren Anwendungen II – Pump-Probe-Spektroskopie Pump-probe Experiment zur polarisationsabhängigen zeitaufgelösten Untersuchung von biologischen Proben Institut für Kern- und Hadronenphysik Abteilung Biophysik Anwendungen III – Nahfeldmikroskopie Auflösung Konventionelles Mikroskop: δ= λ 2 NA NA = n sin θ Nahfeldmikroskop: Eine kleine Öffnung (z.B. Spitze einer Glasfaser) koppelt Licht mit geringem Abstand zur Probe ein/aus. Die Auflösung entspricht etwa der Größe der Öffnung und kann damit deutlich kleiner als die Wellenlänge des verwendeten Lichts sein. Möglicher Aufbau eines Nahfeldmikroskops Institut für Kern- und Hadronenphysik Abteilung Biophysik
