科学难题：如何实现keV X射线激光器？

2013-08-08 09:05

　　——自第一台光纤激光器构建和投入使用后，开发设计更强的X射线（即>10keV）激光系统就被提上了日程。自此，科学家就一直努力建造这样一种激光设备，因为飞秒keV X射线脉冲具有准直（即平行光）、相干等特点可以广泛应用在科学、技术和医药领域。例如，此类设备可用于在不破坏周围组织的情况下实施肿瘤放射治疗。

　　激光器一般由谐振器与放大（或"增益"）介质两个主要部分组成。谐振器由一组可调节所需光束驻波频率的镜片组成，而增益介质则用于放大经过它的光束。建造keV X射线激光器，需解决这两个组件中存在的数个严重问题。当电子从较高的激发态跃迁至较低的激发态时，原子会发射X射线辐射，这里存在的一项限制是内核电子态的飞秒寿命。另一项限制是可用镜片（精心挑选的晶体）的反射率非常低。此外，反射晶体的布拉格角必须与X射线激光波长完全匹配。通过极短电子或X射线脉冲进行泵浦实现原子内壳层离子化被认为是实现增益的可能方法之一，事实上，利用X射线脉冲泵浦氖气可实现1.146nm的增益。

　　第一台keV X射线激光器谐振器由四块高定向热解石墨(HOPG)晶体组成。要实现完整的来回振荡，需要获得45°的布拉格衍射角θB（即入射光束方向与生成的衍射光束之间的角度）。石墨晶格间距d为1.677Å。来自晶面的反射由米勒指数表示(004)，当d为2.37Å时θB=45°，与钕X射线发射线的波长（用Lα表示）重合。另一种可能性是，用金刚石晶体来代替谐振器晶体，前者的反射率远高于石墨。但是，布拉格衍射接受角非常窄（金刚石晶体的角分顺序），且所需的精确X射线波长与布拉格角相匹配的可能性很低，因此意味着此类谐振腔非常难以对齐。高反射率HOPG石墨晶体对低耗损X射线激光器谐振器而言，具有非常诱人的潜力。

Viki译 Alex校对