РЕНТГЕНОВСКИЙ ЛАЗЕР

РЕНТГЕНОВСКИЙ ЛАЗЕР

- источник когерентного эл.-магн. излучениярентг. диапазона. Иногда используется термин «разер» по аналогии с «гразер»(см. Лазер, Гамма-лазер). Идея создания Р. л. появилась в нач. 1960-хгг. сразу же после создания лазеров. Осн. концепции создания сложилиськ нач. 70-х гг. Первый лабораторный Р. л. был создан в Ливерморской лабораторииим. Э. Лоуренса (США) в 1985 (была получена генерация на серии линий Ne-подобногоиона селена в области 182-263,наиб. яркая из к-рых - линия 206,3).К настоящему времени (1991) получено квазикогерентное рентг. излучениев режиме усиления спонтанного излучения с длиной волны от неск. сотен додесятков ангстрем, напр. 206(Se²⁴⁺), 182 (С ⁶⁺), 81(F⁸⁺), 46(Al¹¹⁺). Длительность импульса генерации Р. л. составляет 0,1-10нс и определяется, как правило, временем жизни плазменного образования. <Величина коэф. усиления за один проход лежит в пределах 3-16. Т. о., макс. <усиление относительно уровня спонтанного излучения составляет . Макс. энергия, полученная в импульсе, ~10 мДж, угл. расходимость пучка~10 мрад. Сравнение параметров импульса лазера накачки и импульсарентг. излучения показывает, что коэф. преобразования по энергии составляетлишь ~10^-5. Однако уже этого достаточно для проведения рядафиз. и биол. экспериментов. Р. л. обладают наивысшей импульсной яркостьюпо сравнению с др. источниками рентг. излучения.

Активная среда Р. л.- высокоионизиров. плазма с электронной темп-ройот неск. сотен эВ до неск. кэВ, создаваемая при облучении мишени (напр.,тонкой фольги из селена и иттрия) мощными лазерами видимого и ИК-дпапазонов. <Плазменное образование имеет длину в неск. см (0,5-5 см) и поперечный размер0,01 - 0,1 см. Плазма создаётся, как правило, фокусировкой излучения либо2-й гармоники Nd : YAG-лазера (см. Твердотельный лазер), либо излученияСО ₂ -лазера, имеющих энергию излучения ~1 кДж и длительностьимпульса генерации 0,1-10 нс. Энергия, необходимая для создания иона заданнойкратности, и плотность атомов активного элемента в мишени определяют плотностьэнергии лазерного излучения накачки, необходимую для создания активнойсреды. Пороговые условия генерации Р. л. определяют мин. значения плотностиионов в плазме. Если длина поглощения генерируемого рентг. излучения большедлины активной области L кристалла, то пороговое условие генерацииимеет вид

где резонансный коэф. усиления

здесь ; N₂, N₁ - населённости верх. и ниж. <рабочих уровней, g₂, g₁ - кратности их вырождения, <Г - ширина линии усиления, T₁ - спонтанное время жизни. <Пороговая уд. мощность накачки определяется условием

или

где , и- отношение энергии рабочего перехода к энергии и, затрачиваемой на создание иона требуемой кратности на верх. рабочемуровне. В предположении, что лазерное излучение полностью поглощается вслое плазмы, являющейся активной средой и имеющей длину L и поперечныйдиаметр d, а также что ширина линии усиления определяется доплеровскимуширением =, пороговаяинтенсивность лазерного излучения накачки

При L~ 1 см, d~ 10^-2 см, v_r~ 10⁶ см/с

Требования к мощности накачки не являются очень жёсткими в области = (0,1 -10) нм. Гораздо более жёсткие требования предъявляются к энерговкладу. <Из (4) следует, что

здесь n _пop - пороговая концентрация понов. Если = 0,1 и n _пор ~ 10²² см ^-3, т. e.n _пор ~ концентрации атомов в твёрдом теле, то энерговкладна единицу длины активной среды

Для значений п L~ 1 см пороговые значения концентрации ионов, согласно (1) и(2), определяются выражением [нм] см~³, что существенно меньше концентрации атомов в твёрдомтеле. Так, при n _пор ~ 10¹⁶ см ^-3 из (6) следует [нм] Дж/см, что выполнимо для широкого класса систем накачки.

Основные механизмы создания инверсии. Предложено ок. 10 механизмовсоздания инверсии между уровнями в атомах или ионах активной среды Р. л.,нек-рые из них являются развитием методов, широко использующихся в традиционныхоптич., ИК- и УФ-лазерах, другие применимы лишь в рентг. области. Реализованыдва механизма: столкновит. возбуждение и рекомбинац. накачка. В лазернойплазме, в отличие от плазмы низкой плотности, распределение частиц по энергетич. <уровням может существенно отличаться от равновесного и определяется соотношениемскоростей процессов ионизации, рекомбинации электронов и ионов, <возбуждения ионов, а также излучат. процессов. При высоких значениях электроннойплотности преобладают процессы трёхчастичной рекомбинации: напр.,, где -возбуждённое состояние иона кратности п. Поскольку в этом случаетретья частица принимает часть энергии, то электроны оказываются на высоковозбуждённыхуровнях иона , последующая релаксация в осн. состояние идёт либо излучательным, либостолкновит. путём.

В случае низкой плотности электронов преобладают процессы излучат. рекомбинации, <когда электрон оказывается на ниж. уровнях иона А ⁿ: если электроннаятемп-pa при этом велика, то ион оказывается в осн. состоянии. Указанныепроцессы и определяют два осн. механизма создания в Р. л. инверсии. Р. <л. с о с т о л к н о в и т е л ь н о й накачкой по принципу действия гораздоближе к традиц. лазерам, работающим в видимой области. В этом случае вкачестве активной среды используется высокотемпературная плазма низкойплотности. В результате излучат. рекомбинации заселяются осн. состояниярабочих ионов (напр., уровни 2s² р ⁶ в случаеиона Se²⁴⁺; рис.). Верхний рабочий уровень 3 р заселяетсяиз осн. состояния при соударениях ионов плазмы с электронами, нижний рабочийуровень 3s быстро опустошается за счёт быстрого излучат. распада . Переход запрещён. <Генерация рентг. излучения идёт на излучательно разрешённом переходе Плазма должна быть оптически тонкой для излучения на переходе (с тем чтобы избежать заселения уровня 3s в результате пленения излучения на переходе ).

В лазерах срекомбинационной накачкой используется быстрое охлаждениевысокоплотной плазмы, В этом случае электроны, оказавшиеся на высоких уровняхиона , начинают релаксировать под влиянием излучат. и столкновит. переходов. <Если электронная темп-pa мала, то столкновит. процессы важны лишь при переходахмежду верх. уровнями, когда ,где - частота перехода с уровня с энергией науровень с энергией .С ростом w_nm сечение столкновит. переходов падает, аизлучательных - растёт. Чем ближе уровень к основному, тем выше скоростьспонтанных переходов, поэтому возможно возникновение инверсии между возбуждённымиуровнями за счёт того, что ниж. уровень будет опустошаться быстрее, чемверхний. Если скорость притока частиц на верх. рабочий уровень за счётрекомбинац. процессов будет удовлетворять пороговому условию (3), то вэтом случае возможна квазистационарная генерация, к-рая прекратится, когданарушится пороговое условие из-за охлаждения плазмы. Такой тип генерациирентг. излучения был реализован на Бальмера серии водородоподобныхионов (С ⁵+, F⁸+).

Другие методы накачки. Среди др. методов накачки рентг. переходов атомови ионов - процессы фотоионизации электронов внутр. оболочек атомов илиионов, фотовозбуждения на верхний рабочий уровень излучением, исходящимот ионов более высокой кратности. Этот метод требует перекрытия спектральныхлиний ионов разл. кратности, что встречается достаточно часто. Идея накачкиза счёт перезарядки понов близка к идее рекомбинац. лазера. При перемешиванииионов с атомными пучками пли при распылении плазмы в газ возможны ионизацияатомов и образование ионов меньшей кратности. Последние образуются, какправило, в возбуждённом состоянии. Дальнейшие процессы релаксации и возникновениеинверсии предположительно будут происходить так же, как и в лазере с рекомбинац. <накачкой.

Лит.: Б у н к и н Ф. В., Держнев В. И., Яковлевко С. И., О перспективахусиления света далекого УФ диапазона (Обзор), «Квантовая электроника»,1981, т. 8, с. 1621; Key M. Н., Laboratory production of X-ray lasers,«Nature», 1985, v. 316, p. 314; Matthews D. L. и др., Demonstration ofa soft X-ray amplifier, «Phys. Rev. Lett.», 1985. v. 54, p. 110; E ltonR. C., X-Ray lasers, N. Y., 1990. А. В. Андреев.

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. — М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1988.