Un láser de rayos X se puede crear mediante varios métodos, ya sea en plasmas densos y calientes o como un láser de electrones libres en un acelerador . Este artículo describe únicamente los láseres de rayos X en plasmas.
Debido a la alta ganancia en el medio láser y la corta vida útil del estado superior (1 a 100 ps ), los láseres de rayos X generalmente funcionan sin espejos; El haz de rayos X se genera mediante un único paso a través del medio de ganancia. La radiación emitida, basada en una emisión espontánea amplificada , tiene una coherencia espacial relativamente baja . La línea está ensanchada principalmente mediante Doppler , lo que depende de la temperatura de los iones.
Dado que las transiciones habituales de los láseres de luz visible entre estados electrónicos o vibratorios corresponden a energías de sólo unos 10 eV , para los láseres de rayos X se necesitan diferentes medios activos .
Entre 1978 y 1988, en el Proyecto Excalibur, el ejército estadounidense intentó desarrollar un láser de rayos X bombeado por explosión nuclear para la defensa contra misiles balísticos como parte de la Iniciativa de Defensa Estratégica (SDI) de " Star Wars " . [1]
Medios activos
Los medios más utilizados incluyen plasmas altamente ionizados , creados en una descarga capilar o cuando un pulso óptico enfocado linealmente golpea un objetivo sólido. De acuerdo con la ecuación de ionización de Saha , las configuraciones electrónicas más estables son las del neón , con 10 electrones restantes, y las del níquel , con 28 electrones restantes. Las transiciones electrónicas en plasmas altamente ionizados suelen corresponder a energías del orden de cientos de electronvoltios ( eV ).
Las cámaras de vacío del laboratorio PALS de Praga, donde un pulso de 1 kJ crea plasma para la generación de rayos X
Los métodos comunes para crear láseres de rayos X de plasma incluyen:
Medios de descarga de plasma capilar : en esta configuración, un capilar de varios centímetros de largo hecho de material resistente (p. ej., alúmina ) confina un pulso eléctrico de submicrosegundos de alta corriente en un gas de baja presión. La fuerza de Lorentz provoca una mayor compresión de la descarga de plasma (ver pellizco ). Además, a menudo se utiliza un impulso eléctrico u óptico previo a la ionización. Un ejemplo es el láser capilar Ar 8+ , similar al neón , que genera radiación a 47 nm y que se demostró por primera vez en 1994. [2]
Medio objetivo de losa sólida : después de ser golpeado por un pulso óptico (láser) ultraintenso, el objetivo metálico se evapora y emite plasma altamente excitado. Nuevamente, generalmente se usa un par de pulsos en el llamado esquema de "bombeo transitorio": [3] (1) a menudo se usa un pulso más largo del orden de nanosegundos (a veces precedido por uno o varios "prepulsos" más pequeños). se utiliza para la creación de plasma y (2) se utiliza un segundo pulso más corto (del orden de cientos de femtosegundos o un picosegundo ) y más energético para una mayor excitación en el volumen de plasma. Para tiempos de vida cortos se ha desarrollado la llamada "onda viajera", en la que el plasma se calienta justo antes del paso de los fotones de rayos X (la llamada geometría del "principio de guillotina"). Para aumentar la eficiencia de la transferencia de energía del pulso láser de calentamiento al medio activo (plasma), a veces se emplea un pulso de excitación cortante, el llamado GRIP - geometría de bomba de incidencia rasante . El gradiente en el índice de refracción del plasma hace que el pulso amplificado se desvíe de la superficie objetivo, porque en las frecuencias superiores a la resonancia el índice de refracción disminuye con la densidad de la materia. Esto se puede compensar utilizando objetivos curvos o múltiples objetivos en serie.
Plasma excitado por un campo óptico : a densidades ópticas lo suficientemente altas como para causar un túnel de electrones efectivo , o incluso para suprimir la barrera de potencial (> 10 16 W/cm 2 ), es posible ionizar altamente el gas sin contacto con ningún capilar u objetivo. Generalmente se utiliza una configuración colineal [ se necesita aclaración ] , que permite la sincronización de los pulsos de bomba y señal.
Un medio amplificador alternativo es el haz de electrones relativista en un láser de electrones libres , que, estrictamente hablando, utiliza dispersión Compton estimulada en lugar de emisión estimulada.
Otros enfoques para la generación de rayos X coherentes inducida ópticamente son:
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^ Rocca, JJ; Shlyaptsev, V.; Tomasel, FG; Cortázar, OD; Hartshorn, D.; Chilla, JLA (17 de octubre de 1994). "Demostración de un láser de rayos X blandos de mesa con bombeo de descarga". Cartas de revisión física . 73 (16): 2192–2195. doi : 10.1103/PhysRevLett.73.2192. hdl : 10217/67823 .
^ Cuba, Jaroslav. Estudio experimental y teórico de láseres de rayos X bombeados por un pulso láser ultracorto: bombeo transitorio de iones Ag similares al Ni. Universidad de París, Francia 2001.
^ Chang, Zenghu; Rundquist, Andy; Wang, Haiwen; Murnane, Margaret M.; Kapteyn, Henry C. (20 de octubre de 1997). "Generación de rayos X suaves coherentes a 2,7 nm utilizando altos armónicos". Cartas de revisión física . 79 (16): 2967. Código bibliográfico : 1997PhRvL..79.2967C. doi : 10.1103/PhysRevLett.79.2967.
^ Popmintchev1, Tenio; Chen, Ming-Chang; Popmintchev, Dimitar; Arpin, Pablo; Marrón, Susana; Ališauskas, Skirmantas; Andriukaitis, Giedrius; Balčiunas, Tadas; Mücke, Oliver D.; Pugzlys, Audrius; Baltuška, Andrius; Calza, Bonggu; Schrauth, Samuel E.; Gaeta, Alejandro; Hernández-García, Carlos; Plaja, Luis; Becker, Andrés; Jaron-Becker, Agnieszka; Murnane, Margaret M.; Kapteyn, Henry C. (8 de junio de 2012). "Armónicos ultraaltos coherentes y brillantes en el régimen de rayos X keV de láseres de femtosegundo del infrarrojo medio". Ciencia . 336 (6086): 1287–1291. Código Bib : 2012 Ciencia... 336.1287P. doi : 10.1126/ciencia.1218497. hdl : 10366/147089 . PMID 22679093. S2CID 24628513.{{cite journal}}: CS1 maint: numeric names: authors list (link)
^ Whittum, David H.; Sessler, Andrew M.; Dawson, John M. (1990). "Láser de canal de iones". Cartas de revisión física . 64 (21): 2511–2514. Código bibliográfico : 1990PhRvL..64.2511W. doi : 10.1103/PhysRevLett.64.2511. PMID 10041731.
