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 a las cortas vidas medias de los estados superiores (1–100 ps ), los láseres de rayos X generalmente funcionan sin espejos; el haz de rayos X se genera mediante un solo paso a través del medio de ganancia. La radiación emitida, basada en emisión espontánea amplificada , tiene una coherencia espacial relativamente baja . La línea está mayoritariamente ensanchada por efecto Doppler , lo que depende de la temperatura de los iones.
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) " 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 de tipo neón con 10 electrones restantes y las de tipo níquel con 28 electrones restantes. Las transiciones electrónicas en plasmas altamente ionizados generalmente corresponden a energías del orden de cientos de electronvoltios ( eV ).
Las cámaras de vacío del laboratorio PALS en 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 (por ejemplo, alúmina ) confina un pulso eléctrico de alta corriente de submicrosegundos en un gas de baja presión. La fuerza de Lorentz provoca una mayor compresión de la descarga de plasma (véase pinzamiento ). Además, a menudo se utiliza un pulso eléctrico u óptico de preionización. Un ejemplo es el láser capilar Ar 8+ similar al neón , que genera radiación a 47 nm, que se demostró por primera vez en 1994. [2]
Medios objetivo de placa sólida : después de ser golpeado por un pulso óptico (láser) ultraintenso, el objetivo metálico se evapora y emite plasma altamente excitado. Nuevamente, se suele utilizar un par de pulsos en el llamado esquema de "bombeo transitorio": [3] (1) un pulso más largo del orden de nanosegundos (a veces precedido por uno o varios "prepulsos" más pequeños) se utiliza a menudo para la creación de plasma y (2) un segundo pulso, más corto (del orden de cientos de femtosegundos o un picosegundo ) y más energético se utiliza para una mayor excitación en el volumen de plasma. Para tiempos de vida cortos se ha desarrollado una denominada "onda viajera", donde el plasma se calienta justo antes del paso de los fotones de rayos X (la denominada geometría del "principio de guillotina"). Para aumentar la eficiencia de la transferencia de energía desde el pulso láser de calentamiento al medio activo (plasma), a veces se emplea un pulso de excitación cizallado, la denominada geometría de bombeo de incidencia rasante GRIP . El gradiente del índice de refracción del plasma hace que el pulso amplificado se desvíe de la superficie del objetivo, ya que en 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 campo óptico : A densidades ópticas lo suficientemente altas como para provocar un efecto túnel de electrones efectivo , o incluso para suprimir la barrera de potencial (> 10 16 W/cm 2 ), es posible ionizar fuertemente el gas sin contacto con ningún capilar o objetivo. Generalmente se utiliza una configuración colineal [ aclaración necesaria ] , que permite la sincronización de los pulsos de bombeo y de 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 inducidos ópticamente son:
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^ Kuba, Jaroslav. Estudio experimental y teórico de láseres de rayos X bombeados por un pulso láser ultracorto: bombeo transitorio de iones de plata similares al níquel. 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 armónicos altos". Physical Review Letters . 79 (16): 2967. Bibcode :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 Bibliográfico :2012Sci...336.1287P. doi :10.1126/science.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 iónico". Physical Review Letters . 64 (21): 2511–2514. Código Bibliográfico :1990PhRvL..64.2511W. doi :10.1103/PhysRevLett.64.2511. PMID 10041731.
