Глава 4. Современные и перспективные типы лазеров
К началу ХХI века в развитии квантовой электроники и особенно лазерной техники в связи с потребностями научных исследований и промышленного производства выявились определённые требования к новым типам лазеров:
1. Лазеры с малой
длиной волны излучения в наноразмерном
диапазоне, использующие рентгеновские
пучки или
- излучение;
2. Лазеры сверхвысокой мощности, которые могут использоваться как в мирных целях, например при создании термоядерных реакторов, так и в военных целях (лазерное оружие);
3. Лазеры с повышенным коэффициентом преобразования энергии накачки в когерентное оптическое излучение, что связано с широким использованием лазеров в быстродействующих системах волоконно-оптической связи и обработки информации.
В связи с этим получили дальнейшее развитие принципы лазерной генерации, предложенные ещё в 60 годах ХХ века, так и новые принципы, основанные на достижениях физики и электроники конца ХХ века.
4.1 Лазеры с малой длиной волны
В настоящее время ведутся интенсивные научные исследования и экспериментальная проработка конструкции следующих типов подобных лазеров.
4.1.1 Рентгеновские лазеры
Рентгеновское
излучение является одним из видов
электромагнитного излучения с длинами
волн от
до
нм и таким образом, занимающая спектральный
диапазон между гамма излучением и
ультрафиолетовым излучением. Оно было
открыто в 1895 году В. К. Рентгеном и
получило его имя. Различают жесткое
излучение (λ < 0,2 нм) и мягкие излучения
(λ > 0,2 нм). Они различаются по степени
проникающей способности. Обычно,
рентгеновское излучение для научных и
диагностических целей получают с помощью
рентгеновских трубок. Это вакуумные
камеры, в которых электроны, вырывающиеся
из катода в результате термоэлектронной
эмиссии, ускоряются электрическим полем
и бомбардируют металлический анод.
Атомы анода и тормозящиеся при столкновении
с анодом электроны испускают рентгеновские
потоки. Источником рентгеновского
излучения также может быть торможение
свободных нейтронов, ускоренных в
синхротронах. При описанных выше способах
получения рентгеновского излучения
оно имеет немонохроматический и
некогерентный характер, поэтому для
целей рентгеновской спектроскопии
используют монохроматоры, выделяющие
отдельные участки спектра.
Рентгеновские
лазеры представляют собой источник
когерентного электромагнитного излучения
рентгеновского диапазона (
нм). Впервые на возможность когерентного
излучения в рентгеновских и гамма
диапазонах было указано в начале 60-х
годов ХХ века одновременно в СССР и США,
сразу после создания квантовых приборов
оптического диапазона. Основные принципы
создания подобных приборов сложились
ещё к началу 70-х годов. Первый рентгеновский
лазер был создан в США в 1985 г., который
представлял собой лабораторный прибор.
С его помощью была получена генерация
квазикогерентного рентгеновского
излучения в диапазоне 18 – 26 нм. К концу
ХХ века получено квазикогерентное
рентгеновское излучение в режиме
усиления спонтанного излучения с длиной
волны от нескольких десятков, до единиц
нанометров. Длительность одного импульса
генерации составляет 0,1 – 10 нс и
определяется, как правило, временем
жизни плазменного образования. Величина
коэффициента усиления за один проход
лежит в пределах 3 – 16, а в целом усиление
относительно уровня спонтанного
излучения составляет порядка
.
Однако только
энергии источника накачки составляет
энергия рентгеновского излучения.
Максимальная энергия в импульсе
порядка 10 мДж, что значительно превосходит
энергию других источников рентгеновского
излучения. Активной средой рентгеновских
лазеров является высокоионизированная
плазма, создаваемая при облучении тонкой
фольги из селена иттрия мощными лазерами
видимого или инфракрасного диапазонов
с длительностями импульсов 0,1 – 10 нс и
энергиями порядка ~ кДж. Размеры плазмы:
1 – 5 см
0,1
см. Инверсия между уровнями атомов и
ионов создаётся с помощью двух методов:
столкновительное возбуждение и
рекомбинационная накачка. При
столкновительной накачке в качестве
активной среды используется
высокотемпературная плазма низкой
плотности. В результате излучательной
рекомбинации электронов и ионов
заселяются основные состояния рабочих
ионов (уровень 3), а уровень 2 – быстро
опустошается за счёт быстрого
излучательного распада (радиационная
очистка). Генерации рентгеновского
излучения происходит на излучательно
разрешением переходе (2 - 1) (рис. 4.1).
Рис. 4.1. Структура энергетических уровней рентгеновского лазера.
В лазерах с рекомбинационной накачкой используется быстрое охлаждение высокоплотной плазмы. В этом случае электроны, оказавшиеся на высоких энергетических уровнях ионов, начинают релаксировать под влиянием излучательных и столкновительных переходов. С повышением скорости спонтанных переходов возможно возникновение инверсии между возбуждёнными уровнями за счёт процесса более быстрого опустошения нижнего уровня, чем верхнего. Если скорость притока частиц на верхний уровень за счёт рекомбинационных процессов будет больше чем пороговое условие генерации, то в этом случае возможна квазистационарная генерация. Она прекратится, когда нарушится пороговое условие из – за охлаждения плазмы.