Lasers produceren een geconcentreerde en intense bundel elektromagnetische straling (bijvoorbeeld zichtbaar licht van een bepaalde kleur). Ze worden voor tal van toepassingen ingezet: van cd-spelers tot industriële snijmachines en high-tech wapensystemen. Er bestaan inmiddels allerlei types (excimeerlasers, CO2-lasers, vastestof-lasers, atomaire gaslasers) die gemeen hebben dat de vaste golflengte van de laserstraal afhankelijk is van het voor het produceren van die straal gebruikte materiaal.
De vrije elektronen laser (FEL) heeft het voordeel dat deze golflengte (de kleur, ingeval van zichtbaar licht) naar behoefte instelbaar is. Bovendien zijn kleinere golflengtes en daarmee energierijkere straling mogelijk. De laserbundel is tenslotte intenser en het rendement hoger. De vakgroep QE en het NCLR - een derdegeldstroom-instituut op lasergebied dat voor driekwart eigendom is van URENCO v/h UCN - leggen zich de laatste jaren in hun onderzoek naar hoogvermogen lasersystemen mede toe op de FEL.
Andere typen
De QE-NCLR-lasergroep bestudeert in dat onderzoek naast de Compton-FEL ook diverse andere typen FEL's. Aanvankelijk werd de aandacht geconcentreerd op de ontwikkeling van een Raman-FEL; dat resulteerde in 1990 in een mooie primeur toen de Twentenaren de allereerste in Nederland gebouwde werkende FEL konden presenteren. Inmiddels is men alweer bezig met een Cerenkov-FEL - een type dat met tamelijk lage elektronenenergie toch korte elektromagnetische golven in het microgolflengte-gebied kan produceren.
Bij alle FEL's wordt een vrije elektronenbundel eerst versneld en vervolgens onderworpen aan een snel van richting wisselend magneetveld dat de elektronen in een zodanige golfbeweging brengt dat ze elektromagnetische straling gaan uitzenden. De golflengte van die straling is afhankelijk van twee beïnvloedbare factoren, de snelheid van de elektronen en de kracht van het gebruikte magneetveld, en kan dus naar keuze worden bepaald.
Werking
Hoe werkt de nieuwe FEL? Bijzonder is dat de elektronenbundel niet door verhitting maar via licht wordt opgewekt. Een fotokathode (een vastestof-mengsel van cesium, antimoon en kalium) wordt in vacuüm heel kort belicht. Als gevolg van dat fotonen-bombardementje zendt de kathode elektronen uit die via een 6 megavolt versneller extra energie meekrijgen.
Voor de lichtflits zorgt een conventionele 'hulplaser' die eigenlijk als een soort startmotor fungeert. Het betreft een gemodelockte vastestof-laser die geen continue lichtstraal afgeeft, maar een macropuls van circa 20 microseconde die via een speciaal procédé is opgebouwd uit een 'trein' van micropulsen van 20 picoseconde. De lichtflits wordt voorts optisch versterkt en in fase gecorreleerd aan het veld van de versneller.
De versnelde elektronenbundel wordt in een 'undulator' geleid, die deelektronen via snel wisselende magneetvelden in de 'kwispelende' golfbeweging brengt waardoor straling ontstaat. De golflengte van die straling beloopt 150 tot 200 micron. De uiteindelijke laserstraal vertoont, blijkens tests, een fraaie energiespreiding van slechts 0.5 procent (bij een stroomsterkte van 350 ampère en een versnelling van 6 megavolt).
Tevreden
Prof.dr.ir. W. Witteman (vakgroepsvoorzitter QE en tevens wetenschappelijk directeur NCLR) blijkt bijzonder tevreden over de vorige week uitgevoerde experimenten. 'Alles klopt. We blijken in staat om een goede fotokathode te maken; de hulplaser geeft zijn lichtpulsjes tijdig en gesynchroniseerd met de versneller af; we beheersen het versnellerveld, en de undulator voldoet aan de specificaties. En bovendien blijken onze diagnostische methoden voor het meten van de laserwerking in orde te zijn', zegt Witteman.
De nieuwe Compton vrije elektronenlaser is een belangrijk resultaat van een vijfjarig miljoenenproject, dat mede tot stand kwam dankzij aanzienlijke financiële steun van het NCLR (circa 800 duizend gulden per jaar) en startsubsidies van STW en FOM. De totale projectkosten belopen inclusief personeelslasten zes à zeven miljoen gulden, schat Witteman. Twee onderzoekers zijn inmiddels op delen van het onderzoek gepromoveerd.
Eigen manier
Volstrekt nieuw is de laser niet, benadrukt Witteman, want basisprincipes zoals het gebruik van een fotokathode zijn eerder al door anderen aangetoond. 'Belangrijk is vooral dat wij hebben laten zien dat we hier de kennis en techniek bezitten om zelf zo'n laser te bouwen. Daarnaast hebben we de zaak wel op eigen manier aangepakt.' Zo wijkt het ontwerp van deze Twentse laser af van elders gerealiseerde typen, zowel wat betreft de gebruikte hulplaser als de belichtingtechniek van de fotokathode.
De nieuwe laser kent op fundamenteel niveau weinig geheimen meer, zegt Witteman. Bij de vervolmaking van de laser gaat het dan ook vooral om technologische problemen. Vervolgonderzoek zal zich richten op het vereenvoudigen en compacter maken van de laser, uitbreiding van het golflengtegebied en verhoging van het rendement. Zo zal een door de 'versnellergroep' van de vakgroep Deeltjesfysica van de TU Eindhoven gebouwde, compacte versneller, het race-track microtron, in de Twentse laser worden ingebouwd. Dan kunnen elektronen met 25 megavolt worden versneld.
Complex
Voor het project wordt overigens naast de TUE-versnellergroep ook samengewerkt met collega's in de Verenigde Staten (Los Alamos National Laboratory in Los Alamos, New Mexico, bekend van het 'Star Wars'-programma) en Rusland (P.N. Lebedev Fysisch Laboratorium, Moskou). Zo leverde Los Alamos de 6 megavolt elektronenversneller en de fotokathode 'preparatiekamer'.
Over mogelijke toepassingen van zijn paradepaardje wil Witteman niet zoveel zeggen. 'De FEL heeft grote potentie maar de technologie is complex. Het zal nog tientallen jaren van onderzoek vergen voor we over praktische toepassingen kunnen praten.' Wel verwacht Witteman dat FEL's op termijn bij tal van bestaande toepassingen de klassieke lasers zullen vervangen.
Nog voorzichtiger is Witteman over nieuwe toepassingen. 'De technologie zal zich nog verder moeten ontwikkelen voordat die nieuwe toepassingen in beeld komen.' Aanvankelijk werd expliciet gedacht aan het inzetten van FEL's bij het verrijken van uranium. Men verwachtte ze dat FEL's op termijn efficinter dan de bekende ultracentrifugetechniek de voor het opwaarderen van splijtstof benodigde isotopenscheiding tot stand zouden kunnen brengen. Die gedachte is echter volgens Witteman inmiddels min of meer verlaten.
Geen genade
De FEL biedt niettemin een 'geweldige technologische uitdaging'. 'Je moet wel vertrouwen in de toekomst hebben, want je investeert in research-projecten die zich pas op lange termijn bewijzen. Ook industriële partners moeten geloven in resultaten op termijn. En dat doet URENCO blijkbaar, anders zou men in ons onderzoek geen miljoenen investeren', aldus Witteman.
Intussen moet hem nog iets van het hart. 'Alle gebruikte apparatuur is uit externe fondsen betaald. Zonder bijdragen uit de tweede en derde geldstroom had dit project nooit kunnen worden gerealiseerd.' Hij betreurt dat de UT zelf niet investeert in laseronderzoek. Zo werd tot tweemaal toe een OSF-aanvraag van Witteman afgewezen. 'Het stelt me wel teleur dat onze technische hoogstandjes, waarmee de UT toch eer kan inleggen, blijkbaar geen genade vinden.' Witteman heeft de indruk dat interfacultaire projecten uit politieke overwegingen voorrang krijgen. 'Samenwerking is mooi, maar met een sterke grote groep zou je eigenlijk nog blijer moeten zijn.'
Onderzoekers bij de nieuwe Compton vrije elektronenlaser in de kelders van het EL/TN-gebouw. Voordat de laser in werking treedt dient de speciaal afgeschermde ruimte wegens stralingsgevaar te worden ontruimd.
