新技术可高效产生X射线激光脉冲，发光效率大幅提升至80%

2023-02-24 09:38

近日，奥地利维也纳工业大学（TU Wien）的一组研究人员宣布开发出一种新的、更简单、更有效的X射线激光脉冲产生技术。

在日常场景中，医院里用来检查断腿这类的X光片很容易制作。然而，工业应用场景中则需要一种完全不同的X射线辐射——即尽可能短且高能的X射线激光脉冲。例如，它们被用于纳米结构和电子元件的生产，但也用于实时监测化学反应。

纳米波长范围内的强烈、极短波X射线脉冲很难产生，但现在维也纳工业大学已经开发了一种新的、更简单的方法：它并不是利用钛蓝宝石激光器，而是利用镱激光器。关键的技巧是，光通过气体来改变它的性质。

（图片来源：TU Wien）

长波长转化产生短波长激光束

激光束的波长取决于产生激光束的材料：在所涉及的原子或分子中，电子从一种状态转变为另一种能量较低的状态。这导致光子被发射出来——它的波长取决于电子在状态变化过程中损失了多少能量。通过这种方式，就可以产生不同颜色的激光——从红色到紫色。

然而，为了制造波长更小的激光束，必须采用特殊的技巧：首先，制造波长更长的激光束，并向原子发射。一个电子被从原子中剥离出来，并在激光的电场中加速。然后它转回来，再次与原来的原子碰撞，从而产生短波X射线。这种技术被称为“高谐波产生”（high harmonic generation）。

维也纳工业大学光子学研究所的Paolo Carpeggiani解释称：“乍一看，这种情况似乎有些违反直觉。因为科学家们此前已经用事实证明——原始激光束的波长越大，你最终能达到的波长就越小。然而，X射线辐射的产生效率在这个过程中也会降低：如果你想产生非常短波的辐射，它的强度就会变得非常低。”

用镱代替钛蓝宝石，用气体代替水晶

到目前为止，这种技术几乎总是通过使用钛蓝宝石激光器，然后用特殊晶体增加其辐射波长，以便通过高谐波产生产生最短的X射线辐射。

然而，维也纳工业大学的研究小组开发了一种更简单、同时也更强大的方法：他们使用镱激光器。镱激光器比钛蓝宝石激光器更简单、更便宜、更强大，但到目前为止，它们在X射线产生方面的性能要低得多。

维也纳工业大学团队的关键突破点在于，他们首次增加了镱激光辐射的波长——不是像往常一样通过晶体发射，而是通过分子气体发射。这大大提高了发光效率，从以往的20％增加到80％左右。

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