Eerste Europese vrije-elektronenlaser staat in Nederland

Op het FOM-Instituut voor Plasmafysica Rijnhuizen in Nieuwegein is de eerste laserstraling geproduceerd met een zogeheten vrije-elektronenlaser.

Het instrument, FELIX geheten (free electron laser for infrared experiments), is het eerste in zijn soort in Europa dat infrarode straling produceert. Het infrarood is een golflengtegebied dat voor wetenschappelijk onderzoek heel interessant is, maar waarvoor nog nauwelijks laserbronnen bestaan. Andere vrije-elektronenlasers werken in het gebied van het zichtbare licht of de microgolfstraling.

De vrije-elektronenlaser werkt met een bundel elektronen, die in een versneller een energie van (voorlopig) 25 miljoen elektronvolt (25 MeV) krijgen. Deze energierijke elektronen worden met behulp van een serie achter elkaar geplaatste magneten (een undulator) gedwongen een slingerende baan te beschrijven. Tijdens deze slingerbeweging zenden zij straling uit, die vervolgens heen en weer kaatst tussen spiegels die aan de uiteinden van de magneetserie staan. Een deel van die straling zet de elektronen aan tot het uitzenden van extra straling en zo ontstaat wat kenmerkend is voor elke laser: gestimuleerde uitzending van straling (laser: light amplification by stimulated emission of radiation).

De aldus geproduceerde laserstraling wordt "afgetapt' via een kleine opening in een van de twee spiegels. Zo onstaat de uiteindelijke laserbundel waarmee de onderzoekers gaan werken. FELIX wordt echter niet continu van elektronen voorzien, maar in "flitsen' die bijna een biljoenste seconde duren en elkaar miljard maal per seconde opvolgen. Per keer worden maximaal 20.000 flitsen geproduceerd, die dan één laserpuls opleveren. De duur van zo'n puls ligt in de orde van 5 tot 10 microseconden. Elke puls bestaat uit de som van al die afzonderlijke flitsen.

De golflengte van de stralingspulsen wordt bepaald door de energie van de elektronen en deze kan bij FELIX eenvoudig worden gevarieerd door het veranderen van de sterkte van het magneetveld van de undulator. Zo kan men op een betrekkelijk eenvoudige manier precies iedere golflengte in een groot gebied in het infrarood kiezen die men wil. Hierdoor kan men bijvoorbeeld spectroscopisch onderzoek verrichten en de verschillende eigenschappen van atomen en moleculen bestuderen. In de toekomst zal men ook afzonderlijke, kortstondige flitsen uit de totale laserpuls kunnen halen. Met die zeer korte flitsen kunnen dan bijvoorbeeld reactieprocessen in moleculen stap voor stap worden waargenomen.

Aan de ontwikkeling van FELIX werd in 1987 begonnen. Voordat het instrument geschikt is als onderzoeksinstrument voor wetenschappers van buiten de natuurkunde, zullen er nog verbeteringen in worden aangebracht. Verder zal in de loop van volgend jaar het golflengtegebied, dat nu tussen 17 en 80 micrometer ligt, tot 8 micrometer worden uitgebreid. Tegelijk zullen dan de voorzieningen worden gebouwd voor de opstellingen van gastonderzoekers uit zowel binnen- als buitenland. Men verwacht dat FELIX zeer geschikt zal zijn voor allerlei soorten onderzoek in de chemie, biologie en farmacologie.