Mit dem Laser wurde 1962 eine völlig neuartige Lichtquelle erfunden, die sehr feine Lichtstrahlen von hoher Leistungsdichte, kurzer Pulslänge und perfekter Farbreinheit erzeugen kann. Der Laser ist heute ein unverzichtbares Werkzeug, welches aus Grundlagenforschung, Materialforschung, Biologie und Medizin nicht mehr wegzudenken ist.

Mit Hilfe von Beschleunigern gelingt es, Elektronen fast auf Lichtgeschwindigkeit zu bringen. Werden diese Elektronen dann mit einem Magnetfeld auf eine Kreisbahn gezwungen, so senden sie Photonen (Lichtquanten) aus. Diese 'Synchrotronstrahlung' kann sowohl im infraroten, im sichtbaren als auch im ultravioletten Bereich elektromagnetischer Strahlung liegen.

Beim Freien-Elektronen-Laser (FEL) werden nun viele Magnetfelder hintereinander angebracht und zwar so, daß sich die Richtung immer wieder umkehrt. Beim Durchlaufen einer solchen als 'Undulator' bezeichneten Magnetanordnung bleiben die Elektronen auf ihrer ursprünglichen Bahn und emittieren dabei die Synchrotronstrahlung in Vorwärtsrichtung. Die Elektronen werden nach Durchlaufen des Undulators entfernt, die Photonen hingegen werden mit Hilfe von Spiegeln reflektiert. Durch wiederholtes Reflektieren der Photonen und Nachliefern von Elektronen kann ein intensiver Laserstrahl aufgebaut werden. Durch Variation der Elektronenenergie und der Stärke des Magnetfeldes kann die Wellenlänge des Strahls verändert werden. Das ist eines der herausragenden Merkmale des FEL im Gegensatz zu konventionellen Lasern, die kaum durchstimmbar sind.

In Deutschland gibt es zur Zeit zwei Freie-Elektronen-Laser: den Darmstädter FEL am supraleitenden Elektronen-Linearbeschleuniger S-DALINAC, der im infraroten Wellenlängenbereich arbeitet, und den Dortmunder FEL am Elektronenspeicherring DELTA, der blaues Licht emittiert. Beim Forschungszentrum DESY in Hamburg entsteht zur Zeit ein neues Röntgenlaser-Mikroskop, das der Wissenschaft des 21. Jahrhunderts brillante Aussichten eröffnen wird. Es dient der Erforschung physikalischer, chemischer und biologischer Prozesse, die extrem schnell und auf kleinstem Raum ablaufen. Damit lassen sich zum Beispiel dreidimensionale Aufnahmen von einzelnen Atomen herstellen.

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