Айхлер Ю., Айхлер Г.-И. Лазеры. Исполнение, управление, применение (2008) (1095903), страница 47
Текст из файла (страница 47)
Этот рентгеновский лазер функционирует без зеркал на основе самоусиливаюшегося спонтанного излучения (Ке!БА1пр!!01ес! Кропгапеова Ет!зз!оп) либо по принципу сверхизлучения, о чем уже говорилось выше в п.2.6 (КАКЕ-РЕЬ вЂ” лазер на свободных электронах с самоусиливающимся спонтанным излучением).
В 30-метровом ускорителе с ондулятором электроны с высокой энергией летают по круговой орбите, испуская при этом спонтанное рентгеновское излучение. Спонтанно возникающее излучение обладает несколько большей, чем электроны, скоростью, воздействуя на летящие перед ним частицы. В результате одни электроны затормаживаются, другие ускоряются. При этом образуются пакеты частиц, которые в следующей кривой на круговой орбите излучают еще интенсивнее и формируют еще более определенные пакеты электронов, что приводит к дальнейшему усилению рентгеновского излучения. Ультрафиолетовые лазерные лучи, в том числе в вакууме (типа Ч(1Ч и Х()Ч), от 60 до 1,2 нм (от 20 эВ до 1 кэВ), с пиковыми мощностями 10 ГВт, при длительности импульсов 100 фс планируется получить в научно-исследовательском центре ВЕККЧ в Берлине уже в 2010 году, причем лазерное излучение на свободных электронах — вместо процесса самоусиливающегося спонтанного излучения (КАКЕ) — индуцируется посредством внешнего Ч()Ч-лазера.
(218 Г ПЛ д Ьд Р М д д У 11.2. Рентгеновские лазеры с высокоионизированными атомами Энергия длин новол нового рентгеновского излучения при )ь = 110 нм составляет около 124 эВ. Столь высокой разности энергий нет во внешних оболочках нейтральных атомов или молекул. Но энергия такого порядка величин встречается во внешних оболочках высокоионизированных атомов. Пользуясь теорией Бора, можно вычислить в качестве примера переходы серии Бальмера (переход от основного квантового числа л = 3 — у 2) для атома водорода (Н), иона Не' и иона С'" Согласно уравнению (5.1) и рис. 5.1, получаем: атом Н: )ь =656 нм, в ион Не'.
164 нм, ион С": 18 нм. (1 1.8) Таким образом, высокоионизированные атомы в плазмах вполне годятся на роль активной среды для рентгеновских лазеров, и в последние годы создано уже много подобных лазеров в диапазоне длин волн от 600 до 400 дч (Ангстрем). Получить коротковолновые рентгеновские лазеры, излучающие фотоны с энергией > 300 эВ, в принципе, возможно на основе переходов между внутренними оболочками в атомах, но до сих пор ни один из проектов такого рода пока не был осуществлен. В качества примера здесь можно назвать 45 А-линию в С (275 эВ) либо классическое К„-излучение меди с длиной волны 1,5 А= 0,15 нм соответственно энергии фотона 8,33 кэВ.
Возбуждение таких переходов внутри оболочек достигается, например, путем накачки с излучением длины волны, сравнимой с длиной волны данно~о перехода, или еще более короткой. Однако на инверсию населенностей воздействует эффект Оже, вызывающий быструю релаксацию с типовым временем 10 " сек. При эффекте Оже дырка во внутренней оболочке безызлучательно заполняется внешним электроном; избыточная энергия передается на второй внешний электрон, который покидает атомную структуру в качестве оже-электрона.
Быстрая безызлучательная оже-рекомбннация и высокое самопоглощение затрудняют создание лазеров, функционирующих по такому принципу. С возбуждением внутренней оболочки в Кг и Хе удалось получить до сих пор только длины волн на уровне 100 нм в сверхизлучении. Разработка сверхинтенсивных короткоимпульсных лазеров позволяет теперь и генерацию интенсивных коротких рентгеновских импульсов накачки, так что можно предположить, что создание коротковолнового «внутриоболочкового» лазера уже не за горами. Существующие на данный момент коротковолновые лазеры, генерирующие в высокоионизированных атомах, приведены в таблице 11.2, а относящиеся к ним характеристики — в таблице 11.3. Яркость выражается формулой: число фронтов ллительность импульса 1с)х плошадь)см')х телесный угол зрения)мрлд'1х0,1% — ширина полосы При этом множитель «0,1 %-ширина полосы» показывает, что при непрерывном спектре излучения ширина полосы составляет 0,1 % полезной длины волны.
Рентгеновские лазеры отличаются высокой максимальной яркостью до 1О'" фотонов/(5 мм' (мрад) '0,1%-ширина полосы). Соответствующие параметры синхротронного излучения находятся на уровне всего 10". Но импульсы синхрот- ронного излучения обладают значительно более высокими частотами повторения (около 500 М Гц), так что их средняя яркость гораздо выше, чем у рентгеновских лазеров. Предполагается, что будущий лазер БАБЕ-РЕЕ в Берлине (см.
выше) будет иметь максимальную яркость 10н фотонов/(5. мм' (мрад) ' 0,1 %-ширина полосы). В настоящее время мн ого надежд связывается с тремя направлениями развития рентгеновских лазеров: лазеры со столкновительной накачкой, в частности, в «переходном диапазоне», системы с электрической накачкой и установки на основе оптической ион изации поля, к которым относят также рекомбинационные лазеры.
Помимо них, не потеряли своего значения уже упомянутые «внутриоболочковые» лазеры и сочетания разных других вариантов. таг а и.з. Примеры рентгеновскихлазеров(Х вЂ” длинаволны, 8 — достижимый показатель усиления, 1. — длина сверхизлучателя) Мощность накачки (Вт/см«) Населенность верхнего лазерного уровня Л (нм) Лазерный переход ь' (сн) я (сы') 2 !Он 1О'4 5 10о 1О 0,7 4 10" 1,4 10н 3,5 3,5 0,4 таб аа ы.з.
Характеристики излучения рентгеновских лазеров — 10-4 — 10-4 > 3 мрад — 1Π— 100 пс мкДж — мДж 10-4 — 10-4 несколько минут нлн секунд (возбуждение с малой энергией накачки) несколько часов — 1Он (для лазера на Хпн" прн 7. = 21,2 нм) Ширина линии а)4/л. Расходнмость пучка Длительность импульса Энергия в импульсе Эффективность Частота повторения Максимальная яркость В Ударное злектронное возбуждение Существующие ныне рентгеновские лазеры с длинами волн менее 25 нм базируются на переходах в высокоионизированных атомах. Они образуются в результате облучения твердых тел короткими импульсами из высокомощных лазеров и возбуждаются в результате столкновений (соударений) электронов или на основе рекомбинации. В качестве мишени служат обычно пленки и поверхности твердых тел, Хез«(5р' — + 58 5р') 'Гуп' (Зр — у Зз) Бе 44 (Зр-э Зз) ьзец« (Зр -+ Зу) С" ( =3- 2) Рс(м« (4гз -+ 4р) АВзз (4с( +4р) Моз" (Зр — э Зз) ЪЪ«з« (4с( — у 4р) А) !" ( = 3 - 2) Ац" ' (4гз' — + 4р) Ионизация фотонов внутри оболочки Электронное столкновение Электронное столкновение Электронное столкновение Электронное столкновение Электронное столкновение Электронное столкновение Электронное столкновение Электронное столкновение Рекомбннацня Электронное столкновение 108,9 32,6 21,0 19,6 18,2 14,7 13,9 13,1 5,03 4,24 3,56 4,4 35 30 1,5 4,! 65 0 4 1 !О 2 ~220 ! !! л р ьь р р р» освещаемые с одной или двух сторон на площади шириной 100 мкм и с переменной длиной до 5 ем (рис.
11.6). Рентгеновские лазеры обходятся без зеркал, поэтому система функционирует по принципу сверхизлучателя. Лазерные импульсы накачки должны создать плазму ионов требуемой конфигурации (напрнмер, подобных ионам неона или никеля) используемого вещества мишени и, кроме того, в этих ионах путем столкновения электронов обеспечить инверсию населенностей между уровнями лазерного перехода. Рентгеновский луч зма нь Рвс. 11.6. Принцип действии рентгеновского лазера. В результате бомбардировки поверхности мишени короткими лазерными импульсами высокой мощности образуется плазма в качестве активной среды.
Область усиления имеет длину 1Π— 20 мм и диаметр 0,1 мм. Рентгеновский луч проходит в активной среде с легким искривлением, поскольку плотность электронов снижается в направлении кверху Успешные эксперименты были проведены во многих лабораториях США, Великобритании, Франции, Германии и Японии. При этом отлично зарекомендовала себя и признана перспективной так называемая техника предварительного импульса, когда небольшая часть импульса накачки используется в качестве предварительного импульса для получения предварительной плазмы, которая затем, после выдержки времени в несколько наносекунд, заменяется основным импульсом в необходимом состоянии ионизации, и тогда создается инверсия населенностей.
Благодаря такой предварительной плазме улучшается ввод второго лазерного импульса, что приводит к образованию более однородной плазмы. Прежде всего, в )х)е-подобных ионах посредством электронного столкновения 2«'2р'Зр заселялись состояния, на основе которых были получены лазерные переходы к 2х'2р'Зх с длинами волн 32,6 нм (титан), 19,6 нм (бе) или при — до сих пор самой короткой — длине волны около 3,5 нм (Ап). Используемая интенсивность лазерного излучения находится в диапазоне от 1О" до 10н Вт/см', и образующаяся плазма имеет температуру от нескольких сотен эВ до единиц кэВ, причем 1 кэВ соответствует температуре электрона 10' К.
Инверсия населенностей определяется преимущественно временем жизни на нижнем лазерном уровне, которое должно быть очень коротким. Показатели усилениях составляют обычно несколько см '. Но такого рода рентгеновские лазеры требуют, кроме прочего, применения очень больших лазерных систем с выходной энергией от нескольких десятков Дж до кДж. Важный шаг в деле разработки небольших рентгеновских лазеров (типа «таЫе гор») был сделан в 1995 году демонстрацией так называемого «переходного режима усиления» в Хе-подобных ионах.
С помощью пикосекундного импульса достига- ется очень быстрое нагревание плазмы в результате электронного столкновения в предварительной плазме, созданной предварительным наносекундным импульсом. За генерацию лазерного излучения ответственен короткий пикосекундный импульс, возбуждающий верхний лазерный уровень сильнее, чем нижний (рис. 11.7).
Такой механизм возбуждения отличается очень высокими показателями усиления: я > 30 см ' н короткими рентгеновскими лазерными импульсами — в пикосекундном диапазоне. В отличие от описанного выше так называемого квазистационарного режима усиления, инверсия населенностей зависит здесь больше не от времени жизни на нижнем уровне, но определяется специфической динамикой ударного электронного возбуждения. Подобные рентгеновские лазеры могут функционировать с относительно небольшой энергией накачки в несколько джоулей, достигая при этом эффективности выше!0 '.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
