Рентгеновский лазер - X-ray laser

Рентгеновский лазер представляет собой устройство , которое использует стимулированное излучение , чтобы генерировать или усиливать электромагнитное излучение в ближнем рентгеновском или крайней ультрафиолетовой области спектра, то есть, как правило, порядка нескольких десятков нанометров (нм) длиной волны .

Из-за высокого усиления в среде, излучающей лазер, короткого времени жизни верхнего состояния (1–100  пс ) и проблем, связанных с созданием зеркал, которые могли бы отражать рентгеновские лучи, рентгеновские лазеры обычно работают без зеркал; пучок рентгеновских лучей создается за один проход через усиливающую среду. Испускаемое излучение, основанное на усиленном спонтанном излучении , имеет относительно низкую пространственную когерентность . Линия в основном доплеровски уширена , что зависит от температуры ионов.

Поскольку обычные лазерные переходы в видимом свете между электронными или колебательными состояниями соответствуют энергиям до примерно 10 эВ , для рентгеновских лазеров необходимы различные активные среды . Опять же, для создания еще более высокочастотных гамма-лазеров необходимо использовать другие активные среды - возбужденные атомные ядра .

Между 1978 и 1988 годами в рамках проекта Excalibur американские военные пытались разработать рентгеновский лазер с накачкой от ядерного взрыва для защиты от баллистических ракет в рамках Стратегической оборонной инициативы (СОИ) «Звездных войн» .

Рентгеновские лазерные активные среды

Наиболее часто используемые среды включают высокоионизированную плазму , возникающую при капиллярном разряде или при попадании линейно сфокусированного оптического импульса на твердую мишень. В соответствии с ионизационным уравнением Саха , большинство конфигураций электронов стабильно являются неоновым -как с 10 электронов остальными и никель -кака с 28 электронов остальными. Электронные переходы в высокоионизированной плазме обычно соответствуют энергиям порядка сотен электрон-вольт (эВ).

Вакуумные камеры в лаборатории PALS в Праге, где импульс 1 кДж создает плазму для генерации рентгеновских лучей.

Общие методы создания рентгеновских лазеров включают:

  • Капиллярная среда для плазменного разряда : в этой установке капилляр длиной несколько сантиметров, сделанный из стойкого материала (например, оксида алюминия ), ограничивает сильный электрический импульс субмикросекундной длительности в газе с низким давлением. Сила Лоренца вызывает дальнейшее сжатие плазменного разряда (см. Пинч ). Кроме того, часто используется предыонизационный электрический или оптический импульс. Примером может служить капиллярный неоноподобный лазер Ar 8+ (генерирующий излучение с длиной волны 47 нм).
  • Целевая среда с твердой пластиной : после попадания оптического импульса цель испускает высоковозбужденную плазму. Опять же, более длинный «предварительный импульс» часто используется для создания плазмы, а второй, более короткий и более энергичный импульс используется для дальнейшего возбуждения в объеме плазмы. Для коротких сроков службы может потребоваться срезанный импульс возбуждения (GRIP - насос скользящего падения ). Градиент в преломления плазмы вызывает усиленный импульс , чтобы согнуть от поверхности мишени, так как на частотах выше резонанса показатель преломления уменьшается с уменьшением плотности вещества. Это можно компенсировать, используя изогнутые мишени или несколько мишеней последовательно.
  • Плазма, возбуждаемая оптическим полем : при достаточно высокой оптической плотности, чтобы вызвать эффективное туннелирование электронов или даже для подавления потенциального барьера (> 10 16  Вт / см 2 ), можно сильно ионизировать газ без контакта с каким-либо капилляром или мишенью. Обычно используется коллинеарная установка, обеспечивающая синхронизацию импульсов накачки и сигнала.

Альтернативной усиливающей средой является релятивистский электронный пучок в лазере на свободных электронах , который, строго говоря, использует вынужденное комптоновское рассеяние вместо вынужденного излучения.

Другие подходы к генерации когерентного рентгеновского излучения с оптическим возбуждением:

Приложения

Применения когерентного рентгеновского излучения включают когерентную дифракционную визуализацию , исследование плотной плазмы (непрозрачной для видимого излучения), рентгеновскую микроскопию, медицинскую визуализацию с фазовым разрешением , исследование поверхности материалов и вооружение.

Мягкий рентгеновский лазер может выполнять абляционное лазерное движение .

Смотрите также

использованная литература

  1. ^ Чанг, Зенху; Рундквист, Энди; Ван, Хайвэнь; Murnane, Margaret M .; Каптейн, Генри К. (20 октября 1997 г.). «Генерация когерентных мягких рентгеновских лучей на 2.7 нм с использованием высоких гармоник». Письма с физическим обзором . 79 (16): 2967. Bibcode : 1997PhRvL..79.2967C . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.79.2967 .
  2. ^ Попминчев1, Тенио; Чен, Мин-Чанг; Попминчев, Димитар; Арпин, Пол; Браун, Сюзанна; Алишаускас, Скирмантас; Андрюкайтис, Гедриус; Балчюнас, Тадас; Mücke, Oliver D .; Пугзлис, Аудриус; Балтушка, Андрюс; Шим, Бонггу; Schrauth, Samuel E .; Гаэта, Александр; Эрнандес-Гарсия, Карлос; Плайя, Луис; Беккер, Андреас; Ярон-Беккер, Агнешка; Murnane, Margaret M .; Каптейн, Генри К. (8 июня 2012 г.). «Яркие когерентные сверхвысокие гармоники в кэВ-рентгеновском режиме от фемтосекундных лазеров среднего инфракрасного диапазона». Наука . 336 (6086): 1287–1291. Bibcode : 2012Sci ... 336.1287P . DOI : 10.1126 / science.1218497 . ЛВП : 10366/147089 . PMID  22679093 . S2CID  24628513 .
  3. ^ Whittum, Дэвид Х .; Сесслер, Эндрю М .; Доусон, Джон М. (1990). «Ионно-канальный лазер» . Письма с физическим обзором . 64 (21): 2511–2514. Bibcode : 1990PhRvL..64.2511W . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.64.2511 . PMID  10041731 .