Рентгеновский лазер может быть создан несколькими способами: либо в горячей плотной плазме , либо как лазер на свободных электронах в ускорителе . В этой статье описываются только рентгеновские лазеры в плазме.
Из-за высокого усиления в лазерной среде и короткого времени жизни верхнего состояния (1–100 пс ) рентгеновские лазеры обычно работают без зеркал; пучок рентгеновских лучей генерируется 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 переходы видимого лазерного излучения между электронными или колебательными состояниями соответствуют энергиям всего лишь до 10 эВ , для рентгеновских лазеров необходимы другие активные среды .
Наиболее часто используемыми средами являются высокоионизированная плазма , создаваемая в капиллярном разряде или при попадании линейно сфокусированного оптического импульса на твердую мишень. В соответствии с уравнением ионизации Саха наиболее стабильными электронными конфигурациями являются неоноподобные с 10 оставшимися электронами и никелевоподобные с 28 оставшимися электронами. Электронные переходы в высокоионизированной плазме обычно соответствуют энергиям порядка сотен электрон-вольт ( эВ ).
Вакуумные камеры в лаборатории PALS в Праге, где импульс в 1 кДж создает плазму для генерации рентгеновского излучения
Распространенные методы создания плазменных рентгеновских лазеров включают:
Капиллярная плазменно-разрядная среда : в этой установке капилляр длиной в несколько сантиметров, изготовленный из стойкого материала (например, оксида алюминия ), ограничивает высокоточный субмикросекундный электрический импульс в газе низкого давления. Сила Лоренца вызывает дальнейшее сжатие плазменного разряда (см. pinch ). Кроме того, часто используется предыонизационный электрический или оптический импульс. Примером может служить капиллярный неоновый лазер Ar 8+ , генерирующий излучение на длине волны 47 нм, который был впервые продемонстрирован в 1994 году. [2]
Сплошные целевые среды : после попадания сверхинтенсивного оптического (лазерного) импульса металлическая мишень испаряется и испускает высоковозбужденную плазму. Опять же, пара импульсов обычно используется в так называемой схеме «транзиентной накачки»: [3] (1) более длинный импульс порядка наносекунд (иногда предшествует одному или нескольким меньшим «предымпульсам») часто используется для создания плазмы и (2) второй, более короткий (порядка сотен фемтосекунд или пикосекунды ) и более энергичный импульс используется для дальнейшего возбуждения в объеме плазмы. Для коротких времен жизни была разработана так называемая «бегущая волна», где плазма нагревается непосредственно перед прохождением рентгеновских фотонов (так называемая геометрия «принципа гильотины»). Чтобы повысить эффективность передачи энергии от нагревающего лазерного импульса в активную среду (плазму), иногда используется сдвинутый возбуждающий импульс, так называемая GRIP - геометрия накачки со скользящим падением . Градиент показателя преломления плазмы заставляет усиленный импульс отклоняться от поверхности мишени , поскольку на частотах выше резонанса показатель преломления уменьшается с плотностью вещества. Это можно компенсировать, используя изогнутые мишени или несколько мишеней последовательно.
Плазма, возбуждаемая оптическим полем : при оптических плотностях, достаточно высоких для того, чтобы вызвать эффективное туннелирование электронов или даже подавить потенциальный барьер (> 10 16 Вт/см 2 ), возможно сильно ионизировать газ без контакта с каким-либо капилляром или мишенью. Обычно используется коллинеарная установка [ требуется разъяснение ] , позволяющая синхронизировать импульсы 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.
Другими подходами к оптически индуцированной генерации когерентного рентгеновского излучения являются:
Области применения когерентного рентгеновского излучения включают когерентную дифракционную визуализацию , исследование плотной плазмы (непрозрачной для видимого излучения), рентгеновскую микроскопию, фазово-разрешенную медицинскую визуализацию, исследование поверхности материалов и вооружение.
^ Куба, Ярослав. Экспериментальное и теоретическое исследование рентгеновских лазеров, накачиваемых ультракоротким лазерным импульсом: кратковременная накачка Ni-подобных ионов серебра. Парижский университет, Франция, 2001.
^ Чанг, Зенгху; Рундквист, Энди; Ванг, Хайвэнь; Мурнейн, Маргарет М.; Каптейн, Генри К. (20 октября 1997 г.). «Генерация когерентных мягких рентгеновских лучей на длине волны 2,7 нм с использованием высоких гармоник». Physical Review Letters . 79 (16): 2967. Bibcode :1997PhRvL..79.2967C. doi :10.1103/PhysRevLett.79.2967.
^ Попминчев1, Тенио; Чен, Мин-Чанг; Попминчев, Димитар; Арпин, Пол; Браун, Сюзанна; Алишаускас, Скирмантас; Андрюкайтис, Гедрюс; Бальчюнас, Тадас; Мюке, Оливер Д.; Пагзлис, Аудриус; Балтушка, Андрюс; Шим, Бонгу; Шраут, Сэмюэл Э.; Гаэта, Александр; Эрнандес-Гарсия, Карлос; Плайя, Луис; Беккер, Андреас; Ярон-Беккер, Агнешка; Мурнейн, Маргарет М.; Каптейн, Генри К. (8 июня 2012 г.). «Яркие когерентные сверхвысокие гармоники в кэВном рентгеновском режиме от фемтосекундных лазеров среднего инфракрасного диапазона». Наука . 336 (6086): 1287–1291. Bibcode : 2012Sci...336.1287P. doi : 10.1126/science.1218497. hdl : 10366/147089 . PMID 22679093. S2CID 24628513.{{cite journal}}: CS1 maint: numeric names: authors list (link)
