рентгеновский лазер

Тип лазера

Рентгеновский лазер может быть создан несколькими методами: либо в горячей плотной плазме , либо в виде лазера на свободных электронах в ускорителе . В этой статье описаны только рентгеновские лазеры в плазме.

Плазменные рентгеновские лазеры основаны на стимулированном излучении для генерации или усиления когерентного , направленного электромагнитного излучения высокой яркости в ближней рентгеновской или крайне ультрафиолетовой области спектра, то есть обычно от ~ 3 нанометров до нескольких десятков нанометров . (нм) длина волны .

Из-за высокого усиления активной среды 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 имеет доплеровское уширение , что зависит от температуры ионов.

Поскольку обычные лазерные переходы видимого света между электронными или колебательными состояниями соответствуют энергиям всего лишь до 10 эВ , для рентгеновских лазеров необходимы разные активные среды .

Между 1978 и 1988 годами в рамках проекта «Эскалибур» американские военные пытались разработать рентгеновский лазер с накачкой ядерным взрывом для защиты от баллистических ракет в рамках Стратегической оборонной инициативы (СОИ) « Звездных войн » . ^[1]

Активные СМИ

К наиболее часто используемым средам относится 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 неоновая с оставшимися 10 электронами и никелевая с оставшимися 28 электронами. Электронные переходы в высокоионизованной плазме обычно соответствуют энергиям порядка сотен электронвольт ( эВ ).

Вакуумные камеры в лаборатории PALS в Праге, где импульс мощностью 1 кДж создает плазму для генерации рентгеновского излучения.

Общие методы создания плазменных рентгеновских лазеров включают:

• Капиллярная плазменно-разрядная среда . В этой установке капилляр длиной несколько сантиметров, изготовленный из стойкого материала (например, оксида алюминия ), удерживает сильноточный субмикросекундный электрический импульс в газе низкого давления. Сила Лоренца вызывает дальнейшее сжатие плазменного разряда (см. пинч ). Кроме того, часто используют предионизационный электрический или оптический импульс. Примером может служить капиллярный неоноподобный лазер Ar ⁸⁺ (генерирующий излучение с длиной волны 47 нм).
• Целевая среда из твердой плиты : после воздействия сверхинтенсивного оптического (лазерного) импульса металлическая мишень испаряется и испускает высоковозбужденную плазму. Опять же, пара импульсов обычно используется в так называемой схеме «переходной накачки» ^[2] : (1) часто используется более длинный импульс порядка наносекунд (иногда ему предшествуют один или несколько меньших «предимпульсов»). используется для создания плазмы и (2) второй, более короткий (порядка сотен фемтосекунд или пикосекунды ) и более энергичный импульс используется для дальнейшего возбуждения в плазменном объеме. Для короткого времени жизни была разработана так называемая «бегущая волна», при которой плазма нагревается непосредственно перед прохождением рентгеновских фотонов (так называемая геометрия «принципа гильотины»). Для повышения эффективности передачи энергии от нагревающего лазерного импульса в активную среду (плазму) иногда применяют сдвиговый импульс возбуждения, так называемую GRIP - геометрию накачки скользящего падения . Градиент показателя преломления плазмы приводит к тому, что усиленный импульс отклоняется от поверхности мишени, поскольку на частотах выше резонанса показатель преломления уменьшается с увеличением 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 подавить потенциальный барьер (> 10 ¹⁶  Вт/см ² ), можно сильно ионизировать газ без контакта с каким-либо капилляром или мишенью. Обычно используется коллинеарная установка ^{[ необходимы пояснения ]} , 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:

• генерация высоких гармоник ^{[3] [4] [5]}
• вынужденное томсоновское рассеяние
• Бетатронное излучение ^[6]

Приложения

Приложения 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 абляционную лазерную стимуляцию .

Смотрите также

• Европейский рентгеновский лазер на свободных электронах
• Промышленное компьютерное сканирование
• Рентгеновский лазер на свободных электронах LCLS в SLAC
• Рентгеновский лазер Стратегической оборонной инициативы и проект Экскалибур

Рекомендации

1. www.darpa.mil https://www.darpa.mil/program/excalibur . Проверено 2 ноября 2023 г. {{cite web}}: Отсутствует или пусто |title=( помощь )
2. Куба, Ярослав. Экспериментальное и теоретическое исследование рентгеновских лазеров с накачкой ультракоротким лазерным импульсом: переходная накачка Ni-подобных ионов Ag. Университет Парижа, Франция, 2001 г.
3. Чанг, Цзэнху; Рундквист, Энди; Ван, 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». Письма о физических отзывах . 79 (16): 2967. Бибкод : 1997PhRvL..79.2967C. doi : 10.1103/PhysRevLett.79.2967.
4. 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. Бибкод : 2012Sci...336.1287P. дои : 10.1126/science.1218497. hdl : 10366/147089 . PMID  22679093. S2CID  24628513.{{cite journal}}: CS1 maint: numeric names: authors list (link)
5. Попминчев, Д.; Эрнандес-Гарсия, К.; Доллар, Ф.; Манкузо, Калифорния; Пэн, ПК-К.; Барвик, Б.; Горман, Т.Т.; Алонсо-Мори, Р.; Алишаускас С.; Андрюкайтис, Г.; Балтушка А.; Бостедт, К.; Чен, М.-К.; Даковски, Г.Л.; Дерфи, CG; Экерт, С.; Фан, Т.-М.; Фергюсон, WR; Фришкорн, КГ; и другие. (2015). «Ультрафиолетовый сюрприз: эффективная генерация высоких гармоник мягкого рентгеновского излучения в многократно ионизированной плазме». Наука . 350 (6265): 1225–1231. Бибкод : 2015Sci...350.1225P. doi : 10.1126/science.aac9755. hdl : 10366/147088 . ПМИД  26785483.
6. Уиттум, Дэвид Х.; Сесслер, Эндрю М.; Доусон, Джон М. (1990). «Ионно-канальный лазер». Письма о физических отзывах . 64 (21): 2511–2514. Бибкод : 1990PhRvL..64.2511W. doi : 10.1103/PhysRevLett.64.2511. ПМИД  10041731.