М1

М2

Электронный пучок

Рис. 5.11. Оптическая схема лазера на свободных электронах с магнитным ондулятором: М1, М2 – зеркала резонатора

Важная особенность ЛСЭ заключается в том, что при изменении его макроскопических параметров, а именно энергии электронного пучка и периода магнитного поля накачки, появляется возможность плавной перестройки длины волны излучения ЛСЭ в диапазоне 5–50 мкм. При характерной длине ондулятора в несколько метров и пространственном периоде магнитного поля 1–3 см относительная однородная ширина линии усиления составляет ∆ν0/ν0 = 5·10–3 –10 –4 . Максимальный КПД, определяемый как отношение максимальной энергии, отдаваемой лазерному пучку, к начальной энергии электронов примерно равен ∆ν0/ν0. Повышения КПД можно добиться двумя путями: 1) уменьшением периода магнита вдоль электронного пучка; 2) возвращением выходящих из резонатора пучка электронов обратно в резонатор.

Наиболее привлекательные свойства ЛСЭ: 1) возможность широкой перестройки частоты излучения; 2) высокое качество лазерного пучка, близкое к дифракционному; 3) высокая мощность генерации ~200 кВт. Однако ЛСЭ принципиально являются громоздкими и дорогими установками.

5.5. Рентгеновские лазеры

Рентгеновские лазеры представляют собой лазеры, длина волны излучения которых короче λ < 100 нм.

94

Существенным препятствием получения генерации в рентгеновском диапазоне являются следующие принципиальные факторы: 1) вследствие сильного фотоэлектрического поглощения всякое холодное вещество имеет очень низкую прозрачность во всем рентгеновском диапазоне. Полностью прозрачным является только высокотемпературная ионизированная плазма; 2) вследствие чрезвычайного короткого времени жизни возбужденного состояния и очень больших энергий переходов, участвующих в лазерной генерации, для создания инверсии населенностей требуются очень высокие мощности накачки; 3) в рентгеновских лазерах практически невозможно использование внешних зеркал резонатора, поскольку все вещества обладают очень низкой отражательной способностью при λ < 100 нм; 4) время жизни одного прохода в виртуальном резонаторе (τ ≥ 10–9 с) значительно превышает время жизни рентгеновского перехода

(τ = 10–15 с).

Таким образом, реалистическая оценка показывает, что для создания рентгеновского лазера средней мощности и эффективности необходима мощность накачки ~ 1012Вт. Такой лазер может работать без внешних зеркал в режиме усиления спонтанного излучения (УСИ).

К настоящему времени получено вынужденное излучение в рентгеновском диапазоне на длинах волн λ1 = 20,63 нм и λ2 = 20,96 нм, при накачке высокоинтенсивного излучения второй гармоники YAG:Nd3+-лазера. Пучок фокусируется в узкую линию (d ≈ 200 мкм, l = 1,2 см) на тонкую (75 нм) полоску селена. Благодаря высокой интенсивности излучения накачки (~ 5·1013 Вт/см2) фольга взрывается и возникает плазма цилиндра диаметром d ≈ 200 мкм. Особенностью этой плазмы является то, что получается 24-кратно ионизированный селен, который, как и нейтральный неон, имеет устойчивую электронную конфигурацию 1s22s22p6. Вынужденное излучение происходит между уровнями 2p53p → 2p53s. Благодаря значительно большему заряду ядра селена по сравнению с неоном эти переходы попадают в область мягкого рентгена. Инверсия населенностей достигается благодаря тому, что время жизни перехода 2p53s в основное состояние намного меньше времени жизни 3р-состояния. Вследствие УСИ наблюдалось сильное продольное излучение в мягком рентгеновском диапазоне. Однако выходная энергия рентгеновского излучения составляла незначительную долю (~10-10) энергии накачки.

95

5.6.5.6. Основные технические параметры лазеров

Взаключение данного раздела в табл. 5.2 приведены основные параметры наиболее применяемых лазеров.

Таблица 5.2

Основные технические параметры современных лазеров

№	Тип лазера	Режим	Длина	Средняя	Пиковая	Длит. им-	КПД
п/п		работы	волны	мощность	мощность	пульса.	%
			(нм)	(Вт)	(Вт)	(нс)
1	Рубин	имп.	694,3	1	10–10 4	≤ 10	< 0,1
2	YAG:Nd3+	непр.	1 064	200	–	–	1–3
3	YAG:Nd3+	имп.	1 064	1 000	10	5 000	1–3
4	YAG:Nd3+	имп.	1 064	10	2×104	10–20	1–3
5	He-Ne	непр.	632,8	10– 3–10 – 2	–	–	< 0,1
6	Cu	имп.	510,5	40	100	20–40	1–2
7	Ar+	непр.	514,5	10–150	–	–	< 0,1
8	He-Cd	непр.	325	0,1	–	–	–
9	He-Cd	непр.	441,6	0,1	–	–	–
10	СО2	непр.	10 600	(1–50) ×103	–	–	10–20
11	СО2	имп.	10 600	103	104	100–500	10
12	N2	имп.	337,1	0,1	103	10	< 0,1
13	HF	имп.	2 600– 300	104–10 6	103	–	–
14	GaAs	непр.	850	1	–	–	40
15	ЛСЭ	непр.	мм – си-	до 100	–	–	1–10
			няя об-
			ласть

Перечень лазеров, перечисленных в табл. 5.2, представляет незначительную часть действующих в настоящее время лазеров. Поэтому на рис. 5.11 приведены диапазоны длин волн, перекрываемые существующими лазерами.

На рис 5.12 видно, что лазеры могут перекрывать весьма широкий диапазон длин волн (от 0,1 мкм до 1 мм). Выходная мощность излучения лазеров от нескольких милливатт до нескольких мегаватт в непрерывном режиме и до 100 ТВт в импульсных лазерах. Длительность импульса лазерного излучения можно получить от 10–3 до 10–15 с. Линейные размеры резонаторов изменяются от 10–6 до 103 м.

96

Рис. 5.12. Диапазон длин волн, перекрываемые действующими лазерами

97