[科普中國]-X射線激光器

X激光的產(chǎn)生

用于X射線激光器的泵浦源主要是高功率激光器。線聚焦強(qiáng)激光打到靶上，沿著焦線方向形成高溫等離子體柱。在一定條件下，等離子體柱中特定離子的某兩個(gè)能級(jí)(激光發(fā)射的上下能級(jí))可形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，所發(fā)射的X射線在沿著等離子體柱傳播過程中被放大形成X射線激光。

組成X射線激光器和普通激光器類似，可由驅(qū)動(dòng)源、工作物質(zhì)和諧振腔三部分組成。驅(qū)動(dòng)源是高功率激光器、高壓放電裝置甚至核裝置等能向工作物質(zhì)饋送能量的激勵(lì)裝置，目前普遍采用的是高功率激光器。工作物質(zhì)是驅(qū)動(dòng)源產(chǎn)生的等離子體，所以這種激光也稱為等離子體X射線激光。軟X射線激光的光腔由多層膜X射線反射鏡、多層膜輸出耦合(分光)鏡和工作物質(zhì)組成。由于X射線波長很短，工作物質(zhì)是高溫高密度的等離子體，在這種環(huán)境條件下光學(xué)器件很容易被破壞，加之在等離子體中維持增益系數(shù)足夠大的時(shí)間(壽命)短，因此多程放大的機(jī)會(huì)小，通常采用單程放大(放大的自發(fā)輻射)。2

應(yīng)用生物活細(xì)胞的激光成像是X射線激光的重要應(yīng)用領(lǐng)域.它不需要像應(yīng)用電子顯微鏡那樣的樣品制備過程，也不受樣品活動(dòng)的影響，并且在樣品受到損傷之前就可完成成像過程。因此，采用波長在水窗附近(～ 4.4nm)的X射線激光作光源的X射線顯微鏡就可獲得活細(xì)胞組織的圖像，采用X射線激光全息術(shù)還可得到三維全息圖，這對(duì)生物學(xué)、醫(yī)學(xué)和生命科學(xué)的研究都具有重要意義。這項(xiàng)技術(shù)正被用于研究DNA在精子細(xì)胞內(nèi)的排列。

X射線激光作激光探針用來診斷激光產(chǎn)生的高溫等離子體內(nèi)部，特別是臨界面附近的密度分布將是X射線激光另一重要應(yīng)用。這將為激光與物質(zhì)相互作用的研究，特別是慣性約束聚變靶物理研究提供有效的診斷手段。

此外，材料科學(xué)、微電子學(xué)、化學(xué)、原子物理學(xué)以及精密加工等也都是X射線激光有希望的應(yīng)用領(lǐng)域。目前，受到X射線激光器發(fā)展水平的限制，其應(yīng)用的研究剛剛開始.隨著X射線激光器性能的改進(jìn)和費(fèi)用的降低，特別是小型臺(tái)式X射線激光器研制的成功，X射線激光必將在科學(xué)技術(shù)發(fā)展中發(fā)揮越來越大的作用。

科研人員評(píng)價(jià)美國加利福尼亞州實(shí)驗(yàn)室發(fā)明了世界最大功率的X射線激光器，激光器所產(chǎn)生的電能超過一個(gè)小國家全國的全部電能。激光器的X射線可聚焦在人類頭發(fā)的1/30的一個(gè)點(diǎn)上；還可短時(shí)間將一片金屬箔加熱至200萬攝氏度，使它成為地球上溫度最高的物質(zhì)，這種溫度和壓力僅存于恒星內(nèi)部。

英國牛津大學(xué)科學(xué)家與美國加利福尼亞州實(shí)驗(yàn)室研究人員共同參與“直線加速器相干光源”實(shí)驗(yàn)(LCLS)，并開發(fā)了世界上功率最大的X射線激光器。牛津大學(xué)物理系博士山姆·溫科表示：“制成高溫密集的物質(zhì)是相當(dāng)重要，它有助我們了解存在于恒星內(nèi)部以及太陽系內(nèi)外的巨大行星中心的排序條件?！本€加速器相干光源’X射線激光器確實(shí)是一部了不起的機(jī)器，它幫助我們制成和觀察某些熱等離子(帶電氣體)，熱等離子用于多種領(lǐng)域如物質(zhì)科技和生物研究領(lǐng)域?！?/p>