X射线激光器

　从20世纪70年代开始，苏联科学家F.V.本 金提出，利用电子复合到离子的高能级比复合到低能级快的特点，可以实现粒子数 反转;A.V.维诺格拉道夫提出，利用电子或者光子把离子低能级的束缚电子激发到 高能级，也可以实现粒子数反转;后来也 有人提出实现粒子数反转的其他途径。美国在实验室里研究产生X射线激光的机理，并在1984年利用高功率激光器作激励源，在实验室测到了X射线激光。

　80年代初，美国劳伦斯·利弗莫尔研究所在内华达地下 核试验场利用小型核装置进行了一次X射 线激光的演示试验。宣称测到了波长1.4纳米、功率几百太瓦、脉宽纳秒量级的X射线 激光。当把细长的激光棒放在核装置周围， 核爆炸产生的X光照射在激光棒巨，产生了粒子数反转，沿激光棒的轴向发射了X 射线激光。利弗莫尔研究所后来又进行过 多次试验。

　劳伦斯·利弗莫尔研究所的试验引起了美国当局的重视，在战略防御倡议计划中，把核激励X射线激光器列为研究中的定向能武器之一。设想将很多根激光棒排 放在核装置周围，在识别跟踪系统控制下， 使每根激光棒都对准各自的目标。一次核爆炸释放的光辐射能量，可同时转化为多 路X射线激光束，照射到多枚导弹壳体上， 产生冲击波，摧毁来袭的大规模齐射核导弹，也可用来打击天基平台和扫除轻质诱 饵。这种X射线激光器只能在高空使用，如果研制成功，将具有重量轻、可瞬时发射等 优点。存在的主要问题是激光发散角大，核 爆炸能量利用率低。

　经过多年努力，美国劳伦斯·利弗莫尔研究所在提高核爆炸能量 利用率和用等离子体透镜减小激光发散角 两方面均未取得明显进展。1991年，美国 国会己决定将该计划从“战略防御倡议”计 划中作为助推段拦截的主要手段的目标， 转变成基础科学研究项目。

　heiili X shexiQn liguangqi 核激励x射线激光器(x一ray laser pumped by nuclear explosion)用核爆炸产生的X射线激励激光工作物质，使其产生X射线激光的装置。X射线激光的特点是 波长短、辐射亮度高、脉冲窄和方向性强。核激励X射线激光是一种等离子体激光。它通常是原子或高度电离的离子内壳层电子，在受激辐射过程中(需要很强的泵浦源)产生的相干辐射。核爆炸产生的高温辐射，经过适当的波谱变换可成为理想的 泵浦源。把X射线激光工作物质做成细长的丝(即激光棒)放在核装置周围，核爆炸时，激光棒在很短时间内吸收足够多的光 辐射能量，变成高温等离子体状态，使处于高激发态的离子数大于低激发态离子数，形成粒子数反转，当增益达到一定程度时， 便发射X射线激光，沿激光棒的轴向传播。粒子数反转是发射激光的必要条件。

　核激励Ｘ射线激光器

　用核爆炸产生的强Ｘ射线照射激光工作物质使之形成等离子体、产生Ｘ射线激光的装置。Ｘ射线激光的特点是波长短，在特定方向上有极高的辐亮度。因而核激励Ｘ射线激光器被作为探索研究中的定向能武器之一。核爆炸时，布置在其周围的激光工作物质（一般制成细长的丝）吸收大量辐射能量，成为高温等离子体状态。在一定条件下，通过某种机制，处于低能级的束缚电子被激发到高能级，使高激发态的离子数大于低激发态离子数，形成所谓粒子数反转。这时由于辐射的受激过程，工作介质对一定波长的Ｘ射线具有放大作用。当达到一定程度时便发射Ｘ射线激光，沿激光棒轴向传播。

　软X射线波段激光器

　软X射线波段激光器的激光介质主要是使用激光等离子体，已有很多实验室通过电子碰撞泵浦与复合反转，实现了激光等离子体介质中的自发辐射放大。为了使X波段的激光获得广泛应用，努力提高其相干度、压缩线宽是十分必要的。另一个重要的研究方向是获得所谓的“水窗”波段激光，即2.33～4.36nm波长范围的激光，它将为X射线全息术、生物光子学技术等提供有力的工具。为了获得更短波长的激光，显然，要靠更深层次电子的激发，因此需要短波长的脉冲激光器作为X射线激光的驱动器。

　位于美国斯坦福直线加速器中心（SLAC）国家加速器实验室内、迄今世界最强大的X射线激光器——直线加速器相干光源（LCLS）于6月30日发表了它自启动以来的第一项实验成果：其强大而独特的能力，达到了可操纵原子样本上单个电子的水平，从内到外逐个将电子剥离，形成了所谓的“空心原子”。

　由于体现出了X射线令人惊讶的强度与操控度，该结果让科学界人士大为赞赏；甚至包括研究人员自己在内，直到实验成功才真正相信，X射线已可达到如此精准之地步。

　SLAC国家加速器实验室隶属美国能源部，40余年来执着于对自然界基本规律的探索，以物理实验手段揭示了许多自然界的秘密。

　2009年4月，直线加速器相干光源（LCLS）在这里成功诞生。这个巨型激光器长130米，由实验室3公里长的直线粒子加速器提供动力，每次启动发光装置研究人员需花2小时。该设备制成耗时3年，而从计划提出到完成开工准备历时几乎10年。

　诞生伊始，研究员第一次使用大功率X射线激光器发出直线连续光，此X射线已经比其他任何人造光源发出的脉冲亮度都要高，测试光的波长为0.15纳米（nm），是当时人类创造的最短波长同时具有最大能量的光。

　此后一年时间来LCLS并未发表科研成果，但却一直被视为激光领域“质的飞跃”或“里程碑式的杰作”。因为其完全不同于所有以前的激光器：这是国际上最早提出的第四代光源之一，亦是世界上第一个发射硬X射线的自由电子激光器。所谓硬X射线，通常定义为能量较高、波长极短的X射线。

　从原理上来看，LCLS首度结合了原子尺度空间和时间分辨率，以相干量子波的形式输出X射线，是研究人员从以往传统激光器发展出来的新型光源；从效果上来讲，LCLS亮度能比以往光源高10亿倍，产生脉冲短暂到百万分之二纳秒，为满足各种应用需求，LCLS的输出可以在原子、分子和光学领域的不同设备之间进行切换。科学家们预想，经过微调之后的LCLS的脉冲可帮助排列出众多材料的内部原子结构。

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