Рентгеновские лазеры

Рентгеновские лазеры представляют собой источники когерентного электромагнитного излучения в диапазоне жёсткого и мягкого рентгена. Их создание стало возможным благодаря развитию технологий ускорителей заряженных частиц, а также концепции лазеров на свободных электронах (ЛСЭ), которые способны генерировать излучение с уникальными характеристиками в диапазоне от ультрафиолета до жёсткого рентгена.

В отличие от оптических лазеров, работающих на переходах в атомах или молекулах, рентгеновские лазеры используют либо коллективные возбуждения в сильно ионизованной плазме, либо синхротронное излучение электронов в магнитных структурах. Главным достижением последних десятилетий стало создание лазеров на свободных электронах в рентгеновском диапазоне (X-ray Free Electron Laser, XFEL), которые обеспечивают высочайшую яркость, когерентность и ультракороткие импульсы.

Основные типы рентгеновских лазеров

1. Лазеры на плазменных переходах Исторически первыми реализованными рентгеновскими лазерами стали установки, основанные на переходах в сильно ионизованной плазме. Принцип их работы заключается в следующем:

  • мощный лазерный импульс или разряд в мишени создаёт плазму с высокой степенью ионизации;
  • в результате резонансных процессов в ионах происходит инверсия населённостей;
  • излучение в мягком рентгеновском диапазоне усиливается за счёт вынужденного излучения.

Такие системы продемонстрировали возможность генерации когерентного излучения в диапазоне длин волн порядка 1–30 нм. Однако они имеют ряд ограничений: низкая эффективность, необходимость в мощных лазерных установках накачки и малое число фотонов в импульсе.

2. Лазеры на свободных электронах (XFEL) XFEL являются наиболее современными и мощными источниками рентгеновского лазерного излучения. Их работа основана на движении ультрарелятивистских электронов через периодическую магнитную структуру — ондулятор. Электроны, следуя по синусоидальной траектории, излучают электромагнитные волны, которые могут когерентно усиливаться за счёт самовзаимодействия пучка и излучённого поля.

Ключевые особенности:

  • возможность перестройки длины волны в широком диапазоне (от нескольких нанометров до ангстремов);
  • получение импульсов длительностью фемтосекунды и даже аттосекунды;
  • рекордная яркость и когерентность, недостижимые для других источников.

Физика генерации в XFEL

Основной механизм основан на явлении самоупорядочивания электронного пучка. При прохождении через ондулятор электроны начинают группироваться в микропучки с периодичностью, соответствующей длине волны излучения. Это приводит к резонансному усилению когерентного излучения, называемому самовозбуждающимся усилением (Self-Amplified Spontaneous Emission, SASE).

Условие резонанса:

$$ \lambda = \frac{\lambda_u}{2\gamma^2}\left(1+\frac{K^2}{2}\right), $$

где

  • λ — длина волны излучения,
  • λu — период ондулятора,
  • γ — фактор Лоренца для электронов,
  • K — параметр ондулятора.

Данное условие определяет возможность настройки длины волны излучения путём изменения энергии электронов или параметров магнитной структуры.

Техническая реализация рентгеновских лазеров на ускорителях

Современные XFEL создаются на базе линейных ускорителей с длиной десятки километров, обеспечивающих энергии электронов в десятки ГэВ. Примеры крупнейших установок:

  • LCLS (Linac Coherent Light Source, США) — первый в мире рентгеновский лазер на свободных электронах, работающий в диапазоне 0,1–10 нм;
  • European XFEL (Гамбург, Германия) — крупнейший в мире XFEL, с длиной линейного ускорителя около 3,4 км и длиной ондуляторов более 100 м;
  • SACLA (Япония) — компактный XFEL с ускорителем на основе высокоградиентных структур.

Для получения устойчивой генерации необходимо обеспечить:

  • электронные пучки с крайне малой эмиттансой и короткой длительностью;
  • стабилизацию энергии и синхронизацию;
  • сверхвысоковакуумные условия в ондуляторах;
  • сложные системы диагностики пучка и излучения.

Характеристики рентгеновских лазеров

Рентгеновские лазеры обладают уникальными свойствами:

  • Высочайшая яркость — превышает яркость синхротронных источников на несколько порядков.
  • Когерентность — как временная, так и пространственная, позволяющая проводить интерференционные эксперименты.
  • Ультракороткие импульсы — до десятков фемтосекунд, что делает возможным исследования динамических процессов на атомарном уровне.
  • Перестраиваемость частоты — обеспечивается изменением энергии электронов или параметров ондулятора.

Применения рентгеновских лазеров

Использование рентгеновских лазеров открыло принципиально новые возможности в физике и смежных областях:

  • Структурная биология — определение трёхмерной структуры белков, вирусов и сложных биомолекул методом одночастичных дифракций.
  • Физика конденсированного состояния — изучение фазовых переходов, неравновесных процессов и динамики электронных возбуждений.
  • Химия и динамика реакций — наблюдение за эволюцией химических связей в реальном времени.
  • Материаловедение — исследование наноструктур, дефектов и процессов самосборки.
  • Астрофизика и высокоэнергетическая плотность вещества — моделирование условий, близких к состоянию вещества в недрах звёзд или планет.

Перспективы развития

Современные направления развития рентгеновских лазеров включают:

  • создание более компактных XFEL с использованием ускорителей на диэлектрических структурах или плазменных ускорителях;
  • разработку схем генерации с повышенной когерентностью (например, seeded FEL);
  • достижение аттосекундных импульсов рентгеновского диапазона;
  • интеграцию XFEL с новыми детекторами и источниками синхронизированных импульсов.

Развитие рентгеновских лазеров напрямую связано с прогрессом в технологии ускорителей, что делает их одной из наиболее значимых областей современной физики высоких энергий.

Оглавление