Röntgenlaser und verbotene Übergänge

Wie in Semois Antwort erwähnt, haben elektronische Übergänge im Röntgenbereich den Nachteil, dass sie dazu neigen, ionisierende Übergänge zu sein, dh sie bringen ein Elektron in das Kontinuum, wo es dazu neigt, wegzufliegen und nicht zurückzukommen.

Im Allgemeinen gilt dies jedoch nur für neutrale Atome, aber sobald Sie ein oder wenige Elektronen entfernt haben, sind die verbleibenden Elektronen viel fester gebunden, was bedeutet, dass Sie Übergänge mit einer viel höheren Energiedifferenz haben können, die immer noch innerhalb der verbleiben Mannigfaltigkeit gebundener Zustände. Wenn Sie also in einem ionisierten Plasma arbeiten, haben Sie gute Chancen, einen geschlossenen Laserzyklus zu implementieren, der extern oder sogar durch die eigenen Stoßanregungen des Plasmas gepumpt werden kann.

Natürlich wird dies zu einem herausfordernden Experiment. Zum einen können freie Elektronen im Bereich weicher Röntgenstrahlung stark streuend sein, daher muss die Phasenanpassung sorgfältig durchgeführt werden. Noch wichtiger ist, dass gute optische Elemente, insbesondere bei Transmission und Reflexion bei normalem Einfall, vom XUV aufwärts dünn auf dem Boden liegen, sodass der Bau eines Resonanzhohlraums irgendwo zwischen schwierig und unmöglich sein wird (obwohl, wie ich in dieser verwandten Antwort erklärt habe , die Der Verlust der Kavität ist nicht vollständig tödlich). Trotzdem kann man es machen.

Dass diese Art der Verstärkung möglich ist, wurde mir erst durch das absolut heroische Experiment bewusst, das in beschrieben wird

Demonstration eines zirkular polarisierten Plasma-basierten Soft-Röntgenlasers. A. Depresseux et al. Phys. Rev. Lett. 115 , 083901 (2015) .

aber ein besserer Ort, um mehr zu erfahren, ist ihre Schlüsselreferenz,

Hochkohärenter Multimillijoule-Röntgenlaser bei 21 nm, der durch Double-Pass-Verstärkung in tiefer Sättigung arbeitet. B.Rus et al. Phys. Rev. A 66 , 063806 (2002) .

die selbst viele praktikable Ansätze für das Problem überprüft.

Stellen Sie sich ein Elektron vor, das an ein Atom gebunden ist. Wenn es ein Röntgenphoton absorbiert, verlässt das Elektron das Atom und wird zu einem freien Elektron. Der umgekehrte Prozess ist also durch stimulierte Emission „nicht möglich“ – das freie Elektron gehört nicht zum Atom. Außerdem würden die Röntgenstrahlen "sofort" wieder absorbiert, weil Übergänge von gebundenen Elektronen in das Kontinuum nicht durch Übergangsregeln eingeschränkt sind.

Der Röntgenlaser ist eher ein stimuliertes Brehmsstralung-Emissions- oder Synchrotron-Emissionsverfahren. Beschleunigt man Laser mit einer Frequenz$\nu_a$dann ist die emittierte Strahlung ungefähr$\nu~\simeq~\gamma^2\nu_a$. Der Wiggler- oder Freie-Elektronen-Laser arbeitet nach diesem Prinzip. Eine Anordnung magnetischer Dipole zwingt einen Elektronenstrahl, sich zu winden oder einem wellenförmigen Pfad zu folgen. Wenn die Geschwindigkeit des Elektrons ist$v~-~0.999999c$, oder$\gamma^2~=~5\times 10^5$. Nehmen Sie nun an, dass die Dipolmagnete sind$1\:\mathrm{cm}$auseinander. Die Schwingungsfrequenz für den Elektronenstrahl wird etwa sein$\nu~=~3\times 10^{10}\:\mathrm{s}^{-1}$. Die Frequenz der emittierten Strahlung beträgt dann ca$1.5\times 10^{15}\:\mathrm{Hz}$. Dies liegt im niedrigen UV-Bereich. Dazu müssen die Elektronen angeschoben werden$\gamma~=~224$oder zu$112 \:\mathrm{MeV}$.