Рентгенов лазер
Рентгенов лазер или лазер със свободни електрони FEL (английски Free electron laser - лазер със свободни електрони) - един от многообещаващите много лазери, който се основава на Електромагнитно лъчение, състоящо се от електромагнитни вълни, които могат да достигнат висока енергия, но използващи различни работни настройки за генериране на лъч . За разлика от газовите, течните или твърдотелните лазери, като диодни лазери, при които електроните се възбуждат в свързани атомни или молекулярни състояния, във FEL (виж фигура 1) източникът на лъчение е лъч от свободни електрони, преминаващ през поредица от специално подредени магнити (ундулатор), който ги кара да се движат по синусоидален път. Ускорението на електроните до скорости, близки до светлината, води до излъчване на фотони - синхротронно излъчване.
FEL има най-широкия честотен диапазон от всеки тип лазер и може да бъде широко настроен. Понастоящем този диапазон е регулируем по дължини на вълните от микровълнови фурни, с честоти от инфрачервено лъчение (до видимия спектър до ултравиолетово) до X лъчение. Учени във Франция и Япония са произвели лазер с намален размер на свободни електрони, способен да произвежда кохерентни рентгенови лъчи с дължина на вълната до 32 нанометра. [12]
Съдържание
Рентгеновият лазер с възбуждане на активна среда, използващ енергията на ядрена експлозия, в момента е едно от най-ефективните лазерни устройства за дискретни приложения. Лазерните рентгенови микроскопи генерират лазерен рентгенов лъч, за да осигурят изображения с разделителна способност 1,61 μm.
Въпреки това, когато се създават лазери с къса вълна, е необходимо да се преодолеят основните трудности. За да се реализира ефектът от усилването на електромагнитното излъчване при преминаването му през активната среда, е необходимо, първо, голям брой възбудени атоми, готови да излъчат кванти на стимулирано лъчение, и второ, голяма вероятност за взаимодействие между квантите и тези атоми, осигуряващи това стимулирано излъчване. Коефициентът на усилване на радиацията е: K = s (Nair - Nbase), където s е напречното сечение за взаимодействието на квантите с атомите, Nair и Nbase е броят на атомите в възбудено и основно състояние. В условия на термодинамично равновесие, Nair Nmain. Освен това от основните закони на квантовата физика следва, че s = 12 gm.
Това означава, че колкото по-къса е дължината на вълната на излъчване, толкова по-трудно е да се усили квантово. Следователно първите подобни усилватели са създадени в радиодиапазона (мазерите) в края на 50-те години. През 60-те години е построен първият оптичен генератор с непрекъсната вълна (хелий-неонов лазер). Методите на нелинейна оптика направиха възможно в средата на 70-те години да се създадат лазери, работещи във вакуумната ултравиолетова област (възбудени неонови атоми) около 1000 Angstrom (СССР). И в края на 70-те години стана ясно, че практически осъществима схема на лазер с дължина на вълната около 10-20 Angstrom, базирана на многократно заредени йони (например йони на селен-74) с възбуждане с мощен лазер в оптичния обхват (неодимов лазер). А за рентгеновия обхват с дължина на вълната по-малка от 10 ангстрема трябва да се използват ядрени преходи, както и ефектът на Месбауер (излъчване на кванти в кристали без „откат“ на атома и следователно, без промяна в честота на излъчване поради ефекта на Доплер).
За да се поддържа обърнатата популация на горните нива, мощността на възбуждане трябва да бъде много по-висока от тази, разсейвана под формата на спонтанно излъчване в средата (топлинни загуби и т.н.). Както знаете, енергията на кванта е пропорционална на честотата на излъчване, а освен това вероятността от спонтанно излъчване, безполезно отнемащо енергията на външен източник на възбуждане, е пропорционална на третата мощност на честотата на излъчване. Вземайки това предвид, откриваме, че мощността, необходима за поддържане на обратната популация е W µ n4 µ l - 4. Например, за видими лазери с дължина на вълната около 500 nm е достатъчно да се осигури мощност, въведена в cm 3 от средата от около 100–10000 W/cm 3 (светкавици, химически реакции), тогава за рентгенов лазер с дължина на вълната около 0,5 nm, „изпомпващата“ енергийна плътност трябва да бъде около 10 10 - 10 15 W/cm2 (!). Такова високо енергийно ниво по време на "изпомпване" може да се постигне само с помощта на ядрена експлозия или във фокусното място на мощен импулсен лазер.