6.9. Рентгеновские лазеры

Достижение когерентной генерации в рентгеновском диапазоне долгое время было желанной мечтой, которая медленно, но верно воплощается в жизнь. Действительно, потенциальные

приложения рентгеновских лазеров крайне важны — они включают такие возможности, как рентгеновская голография клеток или их частей, с помощью которой можно получать трехмерные изображения с разрешением в несколько ангстрем, и рентгеновская литография полупроводниковых приборов, которая позволила бы получать изображения с предельно высоким разрешением.

Прежде чем обсуждать то, что было достигнуто в этом диапазоне длин волн, укажем на те трудности, которые необходимо преодолеть для получения генерации в рентгеновском лазере. Обращаясь к основным принципам, заметим, что в соответствии с формулами (5.35) и (2.146) пороговая мощность накачки четырехуровневого лазера в единичном объеме дается выражением

В то же время из выражения (2.116) находим, что (при На частотах и ВУФ-диапазонов при умеренных давлениях можно считать, что ширина линии определяется доплеровским уширением. Следовательно [см, (2.78)], поэтому увеличивается как (если положить При более высоких частотах, соответствующих рентгеновскому диапазону, ширина линии определяется естественным уширением, так как излучательное время жизни становится очень коротким (порядка фемтосекунд). В этом случае увеличивается как Таким образом, если мы, к примеру, перейдем из зеленой области всего лишь в мягкий рентген , то длина волны уменьшится в 50 раз, увеличится на несколько порядков! С практической точки зрения заметим, что многослойные диэлектрические зеркала в рентгеновской области обладают большими потерями и трудны в изготовлении. Основная проблема состоит в том, что в этом диапазоне разница в показателях преломления различных материалов оказывается очень малой. Поэтому для получения приемлемых коэффициентов отражения необходимо использовать большое число (сотни) диэлектрических слоев, а рассеяние света на столь большом числе поверхностей раздела приводит к очень большим потерям. Поэтому до сих пор рентгеновские лазеры работают без зеркал в режиме УСИ (усиленное спонтанное излучение).

К настоящему моменту наилучшие результаты получены при использовании мощного пучка второй гармоники от лазера Novette, одной из составляющих лазерной установки Nova в Ливерморской лаборатории им. Лоуренса в США [40].

Пучок фокусируется в узкую линию на тонкую (75 нм) полоску селена, нанесенную путем испарения на фольгу из формвара толщиной 150 нм (рис. 6.56). Фольгу можно облучать с одной или с обеих сторон. Благодаря высокой интенсивности этого накачивающего пучка фольга взрывается и возникает плазма высокоионизованного имеющая форму почти цилиндра диаметром мкм. Особенностью этой плазмы является наличие в ней -кратно ионизованного обладающего, как и нейтральный основной электронной конфигурацией (неоноподобный селен), которая является особенно устойчивой.

Рис. 6.56. Геометрия мягкого рентгеновского лазера с поперечным освещением, использующего метод взрывающейся фольги.

Вынужденное излучение наблюдается на двух линиях нм) перехода (см. рис. 6.5). Благодаря значительно большему заряду ядра по сравнению с эти линии попадают в область от дальнего УФ диапазона до мягкого рентгена. Возбуждение из основного состояния в состояние происходит вследствие неупругих столкновений с электронами плазмы. Инверсия населенностей достигается благодаря тому, что время жизни перехода в основное состояние (этот переход электродипольно разрешен) намного меньше времени жизни -состояния. При конфигурации накачки, показанной на рис. 6.56, вследствие УСИ наблюдалось сильное продольное излучение в мягком рентгеновском диапазоне. Из зависимости излучаемой энергии от длины активной среды было определено усиление за проход которое оказалось равным приблизительно 700. Заметим, что это усиление еще далеко от «порога» УСИ, определяемого с помощью общепринятого выражения

(2.151). Действительно, в описанной экспериментальной ситуации мы имеем и из формулы (2.153) находим, что Спор Отсюда следует, что излучаемая благодаря УСИ интенсивность все еще много меньше интенсивности насыщения усилителя. Действительно, выходная энергия рентгеновского излучения составляла крайне незначительную долю энергии накачки.

Помимо сообщений о том, что было получено вынужденное излучение в мягком рентгеновском диапазоне, имеются также данные о получении вынужденного излучения на длине волны в области между мягким и собственно рентгеновским диапазонами. Лазер накачивался мощным рентгеновским излучением, получаемым от небольшого ядерного взрыва (экспериментальное условие, которое не так-то легко воспроизвести в какой-либо лаборатории!), причем подробные сведения об этом лазере (возможно, генерирующем самую короткую длину волны) засекречены.

Таблица 6.1. (см. скан) Параметры некоторых лазеров, рассматриваемых в данной главе