Hochzuverlässige Femtosekunden-Verstärker unterstützen intensives Multi-User-Forschungsprogramm am SwissFEL

Die Herausforderung

Ein Freie-Elektronen-Laser (FEL) ist ein „großes wissenschaftliches“ Gerät, das in der Regel Hunderte von Metern lang ist und intensive Femtosekundenpulse bei Wellenlängen im Mikrowellenbereich bis hin zu Röntgenstrahlen erzeugt. Der SwissFEL befindet sich am Paul Scherrer Institut (PSI) in der Nordschweiz und ist ein Freie-Elektronen-Laser (FEL), der speziell für die Erzeugung von Röntgenpulsen optimiert wurde: im Wellenlängenbereich 1 Å bis 70 Å. Er ist seit 2016 als Multi-User-Anlage in Betrieb, um Ultrafast-Dynamik in Physik, Chemie und Biologie zu untersuchen. Die meisten Experimente werden mit der Pump-Probe-Methode mit zwei fs-Pulsen und einer variablen Verzögerung durchgeführt. Das SwissFEL-Team benötigte daher fs-Laser, die zum Pumpen in Verbindung mit den Röntgen-Sondenpulsen des FEL eingesetzt werden sollten. Die wichtigsten Anforderungen waren eine hohe Pulsenergie bei einer bestimmten Wiederholrate (100 Hz), eine hervorragende Strahlqualität und eine hohe Zuverlässigkeit.

Die Lösung

Professor Steven Johnson vom Paul Scherrer Institut (PSI) erklärt: „Wir wollten eine Pulsenergie von 20 Millijoule zusammen mit einer hohen Strahlqualität, um hohe Pulsenergien auch nach ineffizienten nichtlinearen Umwandlungen zu erreichen, z. B. um THz-Strahlung zu erzeugen. Das bedeutet einen Titan-Saphir (Ti:S) Verstärker. Die meisten kommerziellen Ti:S-Verstärker sind jedoch für den Betrieb mit 1 kHz optimiert. Unser FEL ist für eine Pulsrate von 100 Hz ausgelegt, so dass wir den Verstärker für diese langsamere Rate optimiert haben wollten.“ „Außerdem“, so Johnson, „war die Zuverlässigkeit besonders wichtig.“ Er erklärt: „Wir haben einen dichten Kalender, in dem wir die Besucher Monate im Voraus einplanen und ihnen ein Zeitfenster von nur fünf Tagen für ihre Experimente zur Verfügung stellen. Der Verstärker muss rund um die Uhr perfekte Leistung für jeden einzelnen Benutzer liefern. Ungeplante Ausfallzeiten sind einfach keine Option. Wir wollten also die Leistung eines kundenspezifischen Lasers, aber mit der Zuverlässigkeit einer ausgereiften kommerziellen Laserquelle.“ PSI hatte bereits Erfahrung mit der Zuverlässigkeit von Ultrafast-Lasern von Coherent und entschied sich für zwei modifizierte Legend Elite-Verstärker, die 20 mJ bei 100 Hz liefern und redundant ausgelegt sind, um mögliche Ausfallzeiten aufgrund von Wartungsarbeiten usw. zu vermeiden.

Das Ergebnis

Laut Johnson hat die Zuverlässigkeit dieser Verstärker die Erwartungen mehr als übertroffen. Als Beleg für diese Behauptung führt er eine Fülle von verschiedenen Veröffentlichungen an, die auf der Arbeit am SwissFEL basieren. Diese reichen von vorübergehenden Untersuchungen von Proteinen durch Biologen bis hin zu seinen eigenen Forschungen zur schnellen Polarisation in Materialien, die zu schnelleren elektronischen Geräten führen könnten. Die ultimative Bestätigung ist jedoch wohl die Bestellung eines dritten Ti:Saphir-Verstärkers von Coherent für den Swiss FEL (im Jahr 2020).

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