Рентгеновский лазер - это лазерное устройство, основная энергия лазерного излучения которого генерируется в рентгеновском диапазоне электромагнитного излучения. Существующие рентгеновские лазеры приводятся в действие различными способами, основными из которых являются ядерный либо термоядерный взрыв, инверсное излучение возбужденных плазменных сред, излучение возбужденных твердотельных сред.

Отметим те трудности, которые необходимо преодолеть для получения генерации в рентгеновском лазере. Обращаясь к основным принципам, заметим, что пороговая мощность накачки четырехуровневого лазера в единичном объеме дается выражением

В то же время при Δν = 0: . На частотах УФ- и ВУФ-диапазонов при умеренных давлениях можно считать, что ширина линии Δν_о определяется доплеровским уширением. Следовательно, Δν_о ~ ν_о, поэтому dP_пop/dV увеличивается как ν_о⁶ (если положить ν_p ≈ ν_о). 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 Δν_о ~ ν_о³ и dP_пop/dV увеличивается как ν_о⁶. Таким образом, если мы, к примеру, перейдем из зеленой области (500 нм) всего лишь в мягкий рентген (10 нм), то длина волны уменьшится в 50 раз, a dP_пop/dV 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 усиленного спонтанного излучения.
 

 

Рентгеновский лазер с возбуждением активной среды с помощью энергии ядерного взрыва является на сегодняшний день одним из наиболее мощных лазерных устройств (однако это устройство одноразового применения, поскольку при взрыве оно испаряется). Однако, как было отмечено, при создании коротковолновых лазеров необходимо преодолеть принципиальные трудности. Чтобы осуществлялся эффект усиления электромагнитного излучения при его прохождении через активную среду, необходимо, во-первых, большое количество возбужденных атомов, готовых испустить кванты вынужденного излучения, а во-вторых, большая вероятность взаимодействия между квантами и этими атомами, обеспечивающая это вынужденное излучение. Кроме этого, из фундаментальных законов квантовой физики следует, что чем короче длина волны излучения, тем труднее осуществить его квантовое усиление. Методы нелинейной оптики позволили к середине 70-х годов создать в СССР лазеры, работающие в области вакуумного ультрафиолета (возбужденные неоноподобные атомы) около 1000 Aнгстрем. А к концу 70-х стало ясно, что практически осуществима схема лазера с длиной волны около 10-20 Aнгстрем на многозарядных ионах (например, ионы селена-74) с возбуждением с помощью мощного лазера оптического диапазона (неодимовый лазер). А для рентгеновского диапазона с длиной волны менее 10 Ангстрем должны быть использованы ядерные переходы, а так же эффект Мёссбауэра (излучение квантов в кристаллах без «отдачи» атома, а значит, без смещения частоты излучения вследствие доплер-эффекта). Для поддержки инверсной заселенности верхних уровней мощность возбуждения должна быть намного больше той, которая рассеивается в виде спонтанного излучения в среде (тепловые потери и др). Как известно, энергия кванта пропорциональна частоте излучения и к, тому же, вероятность спонтанного излучения, бесполезно уносящего энергию внешнего источника возбуждения, пропорциональна третьей степени от частоты излучения. Учитывая это, можно показать, что если для лазеров видимого диапазона с длиной волны около 500 нм, достаточно обеспечить мощность, вводимую в см³ среды около 100–10000 Вт/см³ (в качестве накачки могут служить лампы-вспышки или химические реакции), то для лазера рентгеновского диапазона с длиной волны около 0,5 нм, плотность энергии "накачки" должна быть около 10¹⁰– 10¹⁵Вт/см³. Такой высокий уровень энергий при "накачке" может быть обеспечен только с помощью ядерного взрыва, либо в фокальном пятне мощного импульсного лазера. В 1984 г. в США была осуществлена генерация лазерного рентгеновского излучения в газовой среде с использованием в качестве источника накачки мощного двухлучевого оптического лазера «NOVETTA» И «NOVA» (Ливермор,Ливерморская национальная лаборатория имени Лоуренса), каждый луч которого имел плотность мощности 5*10¹³Вт/см³ в импульсе длительностью 450 пикосекунд на волне 5320 Aнгстрем. В фокусе лазера помещалась мишень – тончайшая пленка размером 0,1*1,1 см² из селена-74 или иттрия. Луч испарял мишень, создавая плазму из неоноподобных ионов этих металлов. Столкновения с электронами в плазме вызывали возбуждение ионов, которое заканчивалось вынужденным излучением на волне 206,3 Ангстрема и 209,6 Aнгстрема для селена и 155 Aнгстрем – для ионов иттрия. Достигнутый коффиэциент усиления превысил 10⁸. В том же году в лаборатории физики плазмы (Принстон, США) с помощью мощного ИК-лазера на молекулах углекислого газа удалось получить лазерный эффект в углеродной плазме на волне 182 Aнгстрем. Их лазер накачки имел импульсную мощность около 20 ГВт. Пучок лазера был сфокусирован на площади диаметром около 0,2 мм, что и позволило достичь плотности энергии около 10¹³Вт/см³.В этих экспериментах впервые использовалось для увеличения коэффициента лазерного усиления рентгеновское сферическое зеркало, состоящее из чередующихся слоев молибдена толщиной 35 A и кремния толщиной 60 A. Каждый молибденовый слой слабо отражает рентгеновские лучи, но отраженные от последовательных слоев лучи складываются, и в следствии интерференции усиливаются, таким образом коэффициент отражения зеркала нарастает и достигает 62-75%. В 1986 г., полностью ионизовав в фокусе мощного лазера атомы фтора, исследователи получили лазерное излучение с длиной волны 80 Aнгстрем. Дальнейшее уменьшение длины волны необходимо для уменьшения угловой расходимости лазерного пучка, и потребует огромных плотностей энергии "накачки", которые можно получить только при ядерном взрыве. Разработки в данном направлении, с целью создания боевого лазера работающего в рентгеновской части спектра велись в США (Ливермор, Э. Теллер). Во время подземных ядерных взрывов в 1983 г. (полигон Невада) были проведены оценочные испытания первых рентгеновских лазеров. Было опубликовано первое сообщение об измеренных во время эксперимента параметрах лазерного излучения: длина волны около 14 Aнгстрем, длительность импульса 10^–9 с, мощность излучения полученная от рентгеновского лазера при атомном взрыве превысила 400 ТВт. Конструкция лазера не была подробно описана, но стало известно, что его рабочим телом были тонкие металлические стержни. После взрыва ядерного заряда вещество рабочих стержней превращается в полностью ионизованную плазму. Когда температура электронов несколько снижается, и начинается рекомбинация в основном на нижние уровни, происходит излучение в рентгеновской части спектра. Поскольку время высвечивания плазмы измеряется пикосекундами, и облако раскаленной до миллионов градусов плазмы не успевает существенно изменить свою геометрию, то оно сохраняет форму и направление рабочего стержня. Так как зеркал для работы с рентгеновским излучением с длиной волны около 10 Aнгстрем пока еще не существует, то рентгеновский лазер, вероятно, должен работать без резонатора. Поэтому расходимость пучка будет определяться двумя факторами: дифракцией и геометрией стержня. Точнее говоря, наибольшим значением из них. Можно показать, что даже если в процессе ионизации и рекомбинации вещества его геометрия изменится незначительно, расходимость луча достигает ~ 10^-5рад. Однако более детальный расчет показывает, что к моменту рекомбинации сгусток плазмы может расшириться до 0,8-1 мм, и в этом случае расходимость лазерного луча будет порядка от 10^-4 до 10^-5 рад.

Рассмотрим результаты, полученые при использовании мощного пучка второй гармоники (0,53 мкм) от лазера Novette, одной из составляющих лазерной установки Nova в Ливерморской лаборатории им. Лоуренса в США. Пучок фокусируется в узкую линию (d ≈ 200 мкм, l ≈ 1,2 см) на тонкую (75 нм) полоску селена, нанесенную путем испарения на фольгу из формвара толщиной 150 нм (рис.1). Фольгу можно облучать с одной или с обеих сторон. Благодаря высокой интенсивности этого накачивающего пучка (~ 5·10¹³ Вт/см²) фольга взрывается и возникает плазма высокоионизованного Se, имеющая форму почти цилиндра диаметром d ≈ 200 мкм. Особенностью этой плазмы является наличие в ней 24-кратно ионизованного Se, обладающего, как и нейтральный Ne, основной электронной конфигурацией1s²2s²2p⁶ (неоноподобный селен), которая является особенно устойчивой. Вынужденное излучение наблюдается на двух линиях (20,63 и 20,96 нм) перехода 2р⁵3р → 2р⁵3s. Благодаря значительно большему заряду ядра Se по сравнению с Ne эти линии попадают в область от дальнего УФ диапазона до мягкого рентгена. Возбуждение из основного состояния в состояние 2р⁵3р происходит вследствие неупругих столкновений с электронами плазмы. Инверсия населенностеи достигается благодаря тому, что время жизни перехода 2р⁵3s в основное состояние (этот переход электродипольно разрешен) намного меньше времени жизни Зр-состояния. При конфигурации накачки, показанной на рис.1, наблюдалось сильное продольное излучение в мягком рентгеновском диапазоне. Из зависимости излучаемой энергии от длины активной среды было определено усиление за проход G = exp(sNl), которое оказалось равным приблизительно 700. Заметим, что излучаемая интенсивность была много меньше интенсивности насыщения усилителя. Действительно, выходная энергия рентгеновского излучения составляла крайне незначительную долю (~10^-10) энергии накачки.