Ein hochzuverlässiger Femtosekunden-Laserverstärker, der den Anforderungen des effizienten Forschungsbetriebs im Multi-User-Modus des SwissFEL gerecht wird

Herausforderung

Freie-Elektronen-Laser (FEL) ist eine „Big Science“-Anlage, die in der Regel mehrere hundert Meter lang ist und starke Femtosekundenimpulse im Wellenlängenbereich von Mikrowellen bis zu Röntgenstrahlen erzeugt. Der SwissFEL befindet sich am Paul Scherrer Institut (PSI) in der Nordschweiz und ist ein Freie-Elektronen-Laser, der zur Erzeugung von Röntgenimpulsen im Wellenlängenbereich von 1 Å bis 70 Å ausgelegt ist. Seit 2016 steht er einer Vielzahl unterschiedlicher Nutzer zur Verfügung,zur Erforschung der ultraschnellen Dynamik in Physik, Chemie und Biologie. Diese Experimente basieren hauptsächlich auf einer Pump-Probe-Methode mit zwei Femtosekunden-Impulsen und variabler Verzögerung. Daher nutzt das SwissFEL-Team den Femtosekundenlaser als Pumplicht und die vom Freie-Elektronen-Laser erzeugten Röntgenstrahlen als Detektionsimpulse. Entscheidend für die Experimente ist die Gewährleistung einer hohen Impulsenergie bei einer bestimmten Wiederholfrequenz (100 Hz), einer hervorragenden Strahlqualität und einer hohen Zuverlässigkeit.

Lösung

Professor Steven Johnson vom SwissFEL erklärt: „Wir benötigen einen Laser mit einer Pulsenergie von 20 mJ und hoher Strahlqualität, damit wir trotz einer relativ geringen nichtlinearen Umwandlungseffizienz (beispielsweise bei Terahertz-Strahlung) letztlich eine hohe Pulsenergie erzielen können. Dies erfordert den Einsatzvon Titan-Saphir-Verstärkern (Ti:S).Die meisten kommerziellen Ti:S-Verstärker haben jedoch eine Wiederholfrequenz von 1 kHz, während unser Freie-Elektronen-Laser eine Pulsfrequenz von 100 Hz benötigt. Daher hoffen wir, dass der Laserverstärker diese niedrigen Pulsfrequenzen realisieren kann.“ Darüber hinaus weist Johnson darauf hin, dass Zuverlässigkeit von entscheidender Bedeutung ist. Er sagt: „Unser Experimentierplan ist sehr eng, Besucher müssen sich Monate im Voraus anmelden und haben nur fünf Tage Zeit für ihre Experimente. Der Verstärker muss jedem Nutzer rund um die Uhr eine hervorragende Leistung garantieren. Ein unerwarteter Ausfall des Verstärkers ist absolut inakzeptabel. Daher müssen die Leistungsdaten des Lasers auf unsere Anforderungen zugeschnitten sein und gleichzeitig eine hohe Zuverlässigkeit aufweisen.“Das PSI hatteCoherent sehr gute ErfahrungenCoherent gemacht und entschied sich daher für den Kauf von zwei maßgeschneiderten Legend Elite-Verstärkern, diebei 100 Hz eine Leistung von 20 mJ liefern, über eine gewisse Leistungsreserve verfügen und nahezu wartungsfrei sind.

Ergebnis

Johnson erklärte, die Zuverlässigkeit dieser Verstärker habe die Erwartungen bei weitem übertroffen. Als Beleg führte er eine Vielzahl veröffentlichter Arbeiten an, die auf Experimenten mit dem SwissFEL basieren. Dazu zählen sowohl Untersuchungen von Biologen zu Proteinen im transienten Zustand als auch seine eigenen Forschungen zu schnellen Polarisationsprozessen in Materialien. Aufgrund der hervorragenden Leistung der ersten beiden Geräte bestellte der SwissFEL (2020) einen dritten Coherent-Verstärker mit Hochtemperatur-Saphir.

Weitere Erfolgsgeschichten anzeigen