WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     || 2 | 3 |
X-RAY LASER.

РЕНТГЕНОВСКИЙ ЛАЗЕР.

POSSIBILITIES ВОЗМОЖНОСТИ РЕАЛИЗАЦИИ OF REALIZATION V. V. SLABKO..

‡fl „‰‡‚ ‚ The article discusses one of the most important and complicated problems of Создание рентгеновского лазера относится к laser physics – developчислу наиболее важных и трудно решаемых задач ment of X-ray laser. The квантовой электроники – науки об усилении генерации и преобразовании частоты электромагнитresults obtained by ных волн, основанном на принципе квантового means of two alternative усиления или нелинейном взаимодействии излучеapproaches are presented:

ния с веществом.

traditional approach based Осознание возможности квантового усиления электромагнитных волн и последовавшее затем соon the use of radiation здание мазеров и лазеров относятся к числу наиболее amplifying media and nonзначительных достижений научной мысли небедноlinear optics approach го на открытия XX века. Действительно, несмотря на очевидно одинаковый результат, усиление электроallowing to obtain short магнитных сигналов с помощью традиционных устwave radiation through ройств типа электровакуумных ламп и полупроводgeneration of higher har- никовых приборов принципиально отличается от квантового усиления с использованием атомов, моmonics of optical lasers.

лекул да и тех же полупроводников. В устройствах первого типа действие слабого, усиливаемого сигнала, поданного на управляющий электрод (сетка в ‡ электровакуумной лампе, база в транзисторе), приfl ‰ ‰водит к изменению проводимости устройства (лам ‚‡ ‡‰‡ ‡па, транзистор), в цепи которого включен достаточно мощный источник питания. Поэтому в этой – ‰‡цепи возникает ток, значительно превышающий ‡‚ ток в цепи управления, что означает его усиление.

‚‚„ „‚Принцип квантового усиления обоснован еще в „ ‰‡‡‡. ‚работах А. Эйнштейна, вышедших в начале века (1917 год). Смысл его достаточно прост и заключа‰ ‚ ется в следующем. Пусть атом или молекула нахо‡, ‚ ‰‚ дятся в невозбужденном состоянии (g) с с энергией ‡‡‚fl: ‡‰Eg. Тогда воздействие на него электромагнитного излучения с частотой, удовлетворяющей условию, ‚ fl ‚‡- Em – E -----------------g =, (1) mg h ‡fl ‰‡, -, приводит к переходу его в верхнее состояние с энергией Em с соответствующим поглощением кванта ‚fl излучения с энергией, равной h. Здесь h – постоgm ‚‚ янная Планка. Атом, находящийся на верхнем воз „‡ бужденном состоянии Em, может перейти в нижнее состояние, спонтанно излучив квант энергии h gm „‡ ‡‚ ‚‰либо вынужденно, под воздействием такого же „ ‰‡‡‡.

кванта света. Естественно, во втором случае вместо одного кванта света, индуцирующего переход, получаются два. И, что наиболее важно, эти кванты не различимы ни по частоте, ни по поляризации, ни по фазе. Это тоже усиление электромагнитного поля,...

© ‡·.., но уже на другом, квантовом принципе. Очевидно, для того чтобы такое усиление происходило, необходимо иметь больше атомов в возбужденном соОговорим вначале тот диапазон частот (длин стоянии, чем в основном. Только в этом случае чисволн) электромагнитного излучения, о котором идет ло актов излучения будет больше числа актов речь. Как известно, видимый диапазон или диапапоглощения. Это хотя и противоречит термодиназон частот, непосредственно воспринимаемый чемике, однако в ряде термодинамически неравно- ловеческим глазом, ограничен областью длин волн весных случаев вполне возможно. 0,4–0,7 мкм (400–700 нм). Удобнее в этой области использовать единицы длины, выраженные в наномеСостояние среды, при котором число атомов, трах (1 нм = 10- 9 м) либо в ангстремах (1 = 10- 10 м).

находящихся в верхнем возбужденном состоянии, Видимый и ультрафиолетовый (УФ) (400–190 нм) больше числа невозбужденных атомов, называется диапазоны хорошо освоены, и существует множестинверсным состоянием или инверсией заселеннос- во типов лазеров, генерирующих в этой области.

Далее следует вакуумно-ультрафиолетовый (ВУФ) ти состояний. Впервые на возможность реализации диапазон (190–90 нм), характеризуемый тем, что такого состояния среды и использование его для это излучение поглощается атмосферой и при работе квантового усиления света обратил внимание росс ним необходимо использовать вакуумные установсийский ученый В.А. Фабрикант еще в конце 30-х гоки. Видимое, УФ- и ВУФ-излучение обусловлено дов. Он же обосновал возможность создания оптипереходами внешнего электрона между энергетических квантовых усилителей. И только в начале ческими состояниями атомов и молекул. Мягкое 50-х годов этот принцип был реализован Н.Г. Басорентгеновское (МР) (90–5 нм) и рентгеновское извым и А.М. Прохоровым в нашей стране и Дж. Таунлучение (5–0,01 нм) возникает при переходе во сом в США при усилении излучения в микроволновнутренних электронных оболочках атомов, а гамвой области радиодиапазона. Используя резонатор, ма-кванты с длиной волны менее 0,01 нм обязаны им удалось осуществить обратную связь, возвращая происхождением внутриядерным процессам. Нечасть излучения на вход усилителя. Это привело к смотря на условность такого деления (механизмы созданию первого квантового генератора, названно- излучения, как правило, значительно перекрываются по длинам волн), оно полезно и будет испольго мазером. В конце 50-х годов был создан первый зоваться в дальнейшем.

квантовый генератор оптического диапазона (лазер) на кристалле рубина, дающий красное излучение.

Сначала зададимся вопросом: зачем нужен такой лазер Часть ответа на этот вопрос очевидна.

Использование принципа квантового усиления Если мы не знаем, как это сделать, то нужно узнать.

позволило достаточно быстро освоить различные Это логика научного мышления, и именно она дала области спектра частот электромагнитного излученаиболее значительные результаты в познании приния, начиная от микроволнового через инфракрасроды. Но кроме этого есть еще одна причина. Где ный, видимый и до ультрафиолетового диапазона.



этот лазер можно использовать Здесь мы только Однако область жесткого, или вакуумного ультра- коснемся основных, привлекательных, на наш фиолетового, и более коротковолнового рентгенов- взгляд, приложений, отдавая себе отчет в том, что в зависимости от конкретной реализации устройства ского и гамма-излучения оставалась неосвоенной.

большинство приложений вырисовывается только И дело не в том, что принцип квантового усиления тогда, когда устройство уже создано и известны его в этой области не работает, он работает, но причины основные параметры.

как принципиального, так и технического характера не позволяли еще несколько лет назад достаточПрежде всего это голография. Поскольку простно уверенно говорить о том, что создание квантово- ранственное разрешение изображения предмета определяется длиной волны света, в котором это го генератора в этой области возможно. Проблема изображение получено, и даже в идеальном случае настолько сложна, что известный ученый-теоретик размеры деталей, которые можно рассмотреть, соакадемик В.Л. Гинзбург отнес ее к классу проблем поставимы с этой длиной волны. Продвижение в известных, но нерешенных, таких, как управляекоротковолновую область позволит это разрешение мый термоядерный синтез и высокотемпературная улучшить. Длина волны рентгеновского излучения сверхпроводимость, решение которых принциписопоставима с размерами атомов. Попытки сделать ально возможно, однако трудности на пути их рерентгеновский микроскоп сталкиваются с принцишения настолько значительны, что нет уверенности пиальными трудностями. Нет материалов для линз в положительном исходе. Последняя из перечис(показатель преломления прозрачных для рентгеленных задач в 80–90-х годах усиленно разрабатыновского излучения веществ близок к единице), а валась и есть значительные успехи в ее решении, отсутствие эффективных зеркал в этом диапазоне не что позволяет надеяться на положительное реше- позволяет рассчитывать на создание зеркального миние остальных и питает энтузиазм исследователей. кроскопа. В связи с этим идеальным представлялось, ‹1, бы голографическое изображение микрообъекта, точно высокой мощности, которая может быть реакоторое можно записывать с использованием лизована только в импульсном режиме.

рентгеновского лазера, а считывать в видимом диаПо неофициальным данным, первый тип накачпазоне. Естественно, при этом можно получить ки для рентгеновского лазера был использован во объемное изображение, чего нельзя сделать с исвремя ядерного подземного взрыва в штате Невада пользованием ни электронного, ни туннельного, (США) в 1981 году. Измеренные во время экспериполучившего в последние годы широкое распростмента характеристики лазерного излучения таковы:

ранение микроскопов.

длина волны 1,4 нм, длительность импульса менее Кроме того, малая длина волны рентгеновского 10- 8 с и энергия в импульсе порядка 100 кДж [2]. Наизлучения позволяет сфокусировать его на площад- званные работы проводились в рамках программы ку с размерами порядка нескольких размеров атома стратегической оборонной инициативы и были на(если оно когерентное, то есть лазерное), что дало правлены на создание космических средств протибы возможность работать с отдельными атомами:

воракетной обороны. Естественно, что как цели удалять их, управлять характеристиками, создавать этой программы, так и их конкретная реализация в атомные структуры с заданными свойствами. Это виде ядерного, взрывающегося устройства обусловпуть реального конструирования электронных и ливают специфику, не оставляющую надежды исмеханических устройств с атомными размерами.

пользовать упомянутый рентгеновский лазер для Развивающиеся в последние годы нанотехнологии целей, которые обсуждались выше. Кроме того, авостро нуждаются в таком инструменте.

тору неизвестны публикации об этом эксперименте в изданиях, авторитет которых гарантировал бы Тема прикладного использования рентгеновскополную достоверность результатов. Тем не менее го лазера столь широка и интересна, что потребовозможность генерации рентгеновского излучения вала бы отдельной статьи и увела бы нас от цели.

в такой схеме не вызывает серьезных возражений, и А цель эта уже сформулирована: почему трудно тасама идея, заложенная в них, может быть использокой лазер реализовать и как это можно сделать вана при менее экзотических условиях.

Двумя наиболее значительными и принципиСуть идеи заключается в следующем. При введеальными частями лазера являются усилитель и цепь нии столь значительных плотностей мощности в веобратной связи (в большинстве приборов квантощество оно полностью ионизируется, и на первом вой электроники это резонатор), возвращающей этапе нет смысла говорить о какой-либо инверсии часть усиленного излучения на вход усилителя.

заселенностей, так как практически все образовавКак уже отмечалось ранее, для того чтобы кваншиеся ионы не имеют электронной оболочки и их товое усиление происходило, необходима инверсия энергетические состояния не заселены. Охлаждаясь заселенности. Нужная для ее поддержания мощтакая плазма излучает значительную часть энергии ность, вводимая в среду извне, должна быть больше в виде тормозного некогерентного излучения свомощности, которая средой рассеивается в виде бодных электронов. Теряя часть кинетической энерспонтанного излучения. Безотносительно к мехагии, электроны захватываются ионами, происходит низму возбуждения и конкретным системам реалирекомбинация плазмы. При этом вероятность зазации усиливающей среды вероятность спонтанного хвата электронов на вышележащие уровни энергии излучения бесполезно уносящего энергию внешнего ионов выше, чем на нижележащие. Это приводит источника накачки, питающего усилитель лазера, к большей заселенности состояний, обладающих пропорциональна третьей степени частоты излубольшей энергией, то есть к инверсии заселенносчения ( ). Энергия, необходимая для возбуждетей, что позволяет среде усиливать излучение с часния рабочего перехода, пропорциональна частоте тотой, соответствующей частоте перехода между (E = h ). Учитывая предыдущее равенство, полуэтими состояниями. Такой тип создания инверчим, что мощность W, необходимая для поддержасии населенностей известен, используется в бония инверсии заселенности, лее длинноволновом диапазоне и называется рекомбинационным.





4 - W = c. (2) Рекомбинационная схема была использована Если для лазеров видимого диапазона ( 500 нм) для оценки возможности создания инвертировандостаточно обеспечить мощность, вводимую в куной среды при лазерном нагреве. Выше отмечалось, бический сантиметр среды, порядка 102–104 Вт/см3, что при фокусировке импульсного лазерного излуто из (2) следует, что для рентгеновского лазера, чения в околофокальной области плотность мощнодлина волны излучения которого на три порядка сти, вводимая в вещество, может быть достаточной меньше ( 0,5 нм), необходима плотность мощнодля создания и поддержания инверсии заселенноссти W = 1014–1016 Вт/см3.

ти. Действительно, рассмотрим рис. 1 и проведем Столь мощный энерговвод может быть обеспе- простейшие оценки. При фокусировке лазерного чен в настоящее время при ядерном взрыве в объеме излучения 1 с помощью цилиндрической линзы 2 на заряда либо в фокусе лазерного излучения доста- мишени 3 формируется вытянутое пятно с длиной,...

рентгеновской (7,7–3,6 нм), на плазме, полученной Д путем лазерного испарения и нагрева мишени из различных металлов. Излучение имело преимущеh ственную направленность вдоль лазерного шнура, что говорит о его усилении в объеме плазмы. Несмотря на незначительный КПД таких установок, удалось реально получить когерентное рентгеновское излучение, дающее основание говорить о том, что реально работающий рентгеновский лазер все же будет создан в ближайшее время.

В этих экспериментах отсутствовала вторая важная деталь лазера – резонатор, но не потому, что под рукой у экспериментаторов не оказалось двух зеркал, отражающих свет на этих длинах волн. Таких зеркал с высоким значением коэффициента отражения вообще нет, поскольку очень трудно да и невозможно найти материал, обеспечивающий отражение при минимуме потерь в коротковолновом диапазоне. Попытки изготовить такие зеркала с Рис. 1. Схема лазерного нагрева плазмы. 1 – из- многослойным интерференционным покрытием делучение лазера, 2 – цилиндрическая линза, 3 – мелаются, однако результаты этой работы хотя и обнаталлическая мишень, 4 – коротковолновое излудеживают, но пока не дают уверенности, что нужчение. Д, h – продольные и поперечные размеры ные характеристики могут быть получены.

плазмы соответственно.

Отсутствие резонатора требует больших значений коэффициента усиления света в среде, чтобы равной диаметру лазерного пятна (l = Д), и с шириполучить лазерную генерацию в режиме так называной, близкой к величине длины волны h 10. Это емой сверхсветимости (без резонатора). Кроме топятно при достаточной мощности лазерного излуго, излучение такого лазера обладает рядом сущестчения приведет к испарению мишени и ионизации венных недостатков по сравнению с излучением, паров. Считая глубину проникновения излучения в сформированным с помощью резонатора. В частноплазму равной h 10, = 1 мкм, Д 1 см, получим 2 сти, ухудшена когерентность излучения, что затрудобъем возбужденной среды V = 100Д 10- 6 см3.

няет использование его для целей голографии. Тем При энергии импульса лазерного излучения Е 1 Дж не менее с помощью такого лазера были получены длительностью порядка 10- 9 с получим значение голографические изображения больших биологичемощности около 109 Вт. В этом случае плотность ских молекул. Для улучшения контраста в опредемощности W составит величину порядка 1015 Вт/см3.

ленные места этих молекул были помещены частиЭтого достаточно, чтобы удовлетворить требованицы металла с очень малыми размерами.

ям, оговоренным выше, для излучения с длиной волны в несколько нанометров. Отметим, что на- Работы в направлении исследования механиззванные параметры лазера характерны для доста- мов генерации лазерного излучения коротковолноточно простых лабораторных установок. Тем не ме- вого диапазона и реализации конкретных схем в нее приведенные значения плотности мощности эксперименте ведутся сейчас в нескольких исследоявляются необходимым, но не достаточным усло- вательских центрах. Мы затронули лишь принцивием, и, для того чтобы инверсия заселенностей су- пиальную часть возникающих проблем и некоторые ществовала, необходимо выполнение еще ряда ус- реализованные схемы усиливающих сред в коротколовий. Поэтому, учитывая также и грубость оценки, волновой области спектра. Круг этих проблем, как и в условиях реального эксперимента необходимо новых идей, значительно шире, и первые многообеиметь значительный запас мощности. щающие успехи, достигнутые в этом направлении, позволяют надеяться на их разрешение.

Pages:     || 2 | 3 |










© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.