Budowany w Hamburgu laser XFEL to, z punktu widzenia praktycznego, coś w  rodzaju aparatu fotograficznego. O ile jednak czas ekspozycji w zwykłym aparacie fotograficznym liczony jest w dziesiętnych, setnych lub tysięcznych częściach sekundy, o tyle analogiczny czas dla lasera XFEL liczony będzie w  femtosekundach (femtosekunda to 10^-15 s (w czasie femtosekundy światło pokonuje drogę równą grubości ludzkiego włosa). XFEL będzie tak szybki, że za jego pomocą będzie można robić zdjęcia nawet pojedynczych cząsteczek.



Hamburski laser to wielkie urządzenie, budowane w podziemnym tunelu długości 3,4 km. Najważniejszą częścią maszyny jest akcelerator długości 1,7 km. Nadaje on elektronom prędkość zbliżoną do prędkości światła oraz olbrzymią energię: 14 gigaelektronowoltów. Elektrony uzyskują ją dzięki działaniu magnesów nadprzewodzących. Pole tych magnesów jest potężne – ale muszą być utrzymywane w bardzo niskiej temperaturze. Dlatego istotną częścią machiny jest instalacja chłodząca wykorzystująca ciekły azot. Rozpędzone już elektrony wlatują do tzw. undulatorów, które zakrzywiają tor cząstek. Elektrony zaczynają lecieć slalomem, emitując przy tym energię w postaci promieniowania rentgenowskiego. To promieniowanie wchodzi w interakcję z lecącymi elektronami i rozbija ich strumień na grupki. Każda z nich emituje fale elektromagnetyczne ściśle określonej długości. Dlatego całe urządzenie nazywane jest laserem na swobodnych elektronach: laserem, bo emituje promieniowanie fali konkretnej długości; na swobodnych elektronach, bo źródłem tego pomieniowana są wolne elektrony.

Laser XFEL może pracować w zakresie fal długości od 6 do 0,5 nm – prawdziwą rewelacją jest tu dolny przedział, który obejmuje promieniowanie rentgenowskie (czyli promieniami X), pozwalające na „fotografowanie” nawet pojedynczych atomów. Zdjęcia będą tak szybkie i wyraźne, że można będzie filmować reakcje chemiczne! Jak będzie przebiegać takie filmowanie reakcji chemicznych? Zazwyczaj odbywa się to tak: pierwsza wiązka laserowa uruchamia reakcję, a potem w ściśle oznaczonym czasie wypuszczana jest druga wiązka, która „fotografuje” to, co się dzieje. Zdjęcia wyglądają jak grupy kolorowych kresek, kropek i plam: są to odbite od fotografowanych cząsteczek promienie X uchwycone na detektorach CCD. Po zastosowaniu odpowiednich algorytmów z tych plam i kropek wyłonią się kształty cząsteczek, komórek, wirusów. Szkopuł w tym, że wiązka, która robi zdjęcie, w większości przypadków rozbija badaną próbkę. Promieniowanie X jest jonizujące: nadaje wszystkim atomom ładunek dodatni, co powoduje błyskawiczny rozpad cząsteczek (jednoimienne ładunki odpychają się). Dlatego tę samą reakcję prowokuje się wiele razy z rzędu, za każdym razem nieco później wykonując rentgenowskie zdjęcie, i z takich klatek składa się film. Możliwości badawcze lasera XFEL są ogromne. Można będzie fotografować bakterie, wirusy, badać strukturę białek i nowe materiały. Najlepszym dowodem na olbrzymi potencjał maszyny jest zainteresowanie naukowców: istniejący już w Hamburgu mniejszy laser FLASH jest tak pożądanym narzędziem, że ustawiają się do niego długie kolejki (80 proc. wniosków jest odrzucanych). Laser XFEL będzie bezkonkurencyjny w skali świata – będzie miał lepsze parametry niż podobne urządzenia budowane właśnie w Japonii i USA. XFEL to przedsięwzięcie międzynarodowe, w którym największymi udziałowcami są Niemcy (54 proc.) i Rosja (23 proc.). Polska, posiadając 2 proc. udziałów w międzynarodowym konsorcjum, będzie miała analogiczny odsetek czasu pracy maszyny do wykorzystania.

Wiązki promieniowania kierowane są pięcioma tunelami do                     dziesięciu stanowisk badawczych.