什么是X射线激光器（X-ray Lasers）

X射线激光器是在3.56纳米到46.9纳米的离散波长上产生明亮激光束的激光器。在X射线激光器中不能使用传统的增益介质。它们使用在毛细管放电中产生的高度电离的等离子体区域作为活性介质，等离子体是用激光束或用放电产生的。目前还没有能够以正常入射率反射X射线的镜子。因此，X射线激光器是一种无镜面的激光器，这意味着不存在有谐振器的光学反馈。X射线激光器中的激光辐射是用放大的自发发射（ASE）产生的。当光束在等离子体中传播时，自发产生的辐射被刺激发射的辐射所简化。

X射线激光器的工作

在X射线激光器中，当光脉冲击中由薄箔、纤维或固体材料制成的目标时，原子或电子通过激发或放大从它们身上剥离形成离子。当每个被激发的离子从高能状态衰变到低能状态时，就会发射出一个光子。当数百万个具有相同波长的光子同时被放大时，X射线激光束就产生了。当高强度（⩾1015 W cm-2）的低能量或中等能量的超短激光脉冲（从几毫焦耳到十几毫焦耳）集中在一个固体目标上时，可以产生紧凑的短脉冲高功率X射线源。例如，高功率和短持续时间（在皮秒范围内）的X射线脉冲可以由亚皮秒激光脉冲产生。


图1：原子中电子的去激发

如图1所示，X射线是由电子从原子的外壳向内壳的脱激发而产生的。因此，为了在增益介质中存在种群反转以产生X射线激光输出，内壳电子需要被激发到一个更高的能级。为此，要使发光原子经历一个反复的电离过程，依次除去其中的大部分电子，以达到一个适当的电子构型。此外，发光体将处于等离子体状态，并有足够的温度来维持它。例如，基于氩的X射线激光器需要100eV的等离子体温度，它可以产生并保持类似于Neon的Ar8+电子配置的离子。这种电子构型是通过从原子序数为18的中性氩原子上去除8个电子而实现的。需要更高的等离子体温度来维持较重原子的X射线产生的电离状态，因为必须从它们身上去除更多的电子。例如，原子序数为34的硒原子在从其中性状态移除24个电子后，需要1千伏的等离子体温度来产生和维持类似于Neon的Se24+电子构型。当等离子体电子与离子基态的离子发生碰撞时，就会激发到上层激光水平。X射线激光器使用激光激发、放电激发和光场电离机制来产生群体反转。

X射线激光器的泵浦机制

X射线激光器可以通过使用激光束、放电或光场电离形成等离子体来进行泵浦。

激光激发


图2：激光激发形成等离子体的图解

高功率的激光束可以用一个圆柱形透镜聚焦在作为增益材料的原子种类的固体金属靶上。聚焦区域的原子将经历多重电离过程，因此，沿着固体金属靶上方的聚焦线，高度电离的激光物种形成等离子体。这充当了X射线激光器的增益介质。脉冲能量为几百焦耳、脉冲持续时间为纳秒的激光器被用作泵浦激光源。图2显示了X射线激光器的激光激发过程。

激光激发是一个两步的过程，以形成高度电离的等离子体。在第一步中，脉冲持续时间为500ps、脉冲能量为1-3J的激光脉冲使用圆柱形透镜在固体靶上进行线聚焦，以产生热致密等离子体。


图3：两步式激光激发过程

在第二步中，另一个脉冲持续时间为10ps、脉冲能量为3-7J的脉冲在2ns的时间延迟后被聚焦在这个已经形成的等离子体上。这导致激光物种迅速被激发到上层激光水平，并有助于实现群体反转。因此，在等离子体的方向上获得X射线激光输出。图3显示了两步的激光激发过程。

放电激励

图4：放电激励的图示

在放电激发中，高电流或电压被施加在直径非常小的细长毛细管上。激光物种以气态形式或以毛细管壁上的涂层形式被引入毛细管中。通过施加放电电流，激光物质发生快速电离，并产生具有适当电离状态的等离子体。等离子体的电子相互碰撞，引起种群反转，随后产生了X射线激光输出。图4显示了使用放电的泵浦方法。

   光场电离

在光场电离技术中，亚二十秒脉冲持续时间的超短激光脉冲被用来产生非平衡等离子体以激发激光物种。非平衡等离子体是指在不提供所需温度以维持其状态的情况下产生的等离子体。由于脉冲持续时间非常短，所以很快就能实现群体反转，从而导致激光发射。但获得的激光输出的能量在纳焦耳范围内，这对应用来说不是很有用。

X射线激光器的参数

X射线激光的应用

X射线激光器被用于医疗目的，检测人体骨骼的骨折。在机场、火车站和其他地方，它们被利用作为行李扫描器。这些激光器被广泛用于检测焊缝的缺陷，也被用于修复古画。X射线是由天体发射出来的，通过研究来了解环境。

高亮度的X射线激光器被用于许多成像应用，如生物物体的成像和激光聚变等离子体中快速过程的成像。同步辐射源利用X射线激光器对生物微结构进行成像。

X射线激光源用于材料烧蚀、光刻、微探测、活体生物材料全息、晶体学、密集等离子体干涉测量、X射线显微镜等应用。