新技术可高效产生X射线激光脉冲,发光效率大幅提升至80%
日期:
2023-02-28
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近日,奥地利维也纳工业大学(TU Wien)的一组研究人员宣布开发出一种新的、更简单、更有效的X射线激光脉冲产生技术。在日常场景中,医院里用来检查断腿这类的X光片很容易制作。然而,工业应用场景中则需要一种完全不同的X射线辐射——即尽可能短且高能的X射线激光脉冲。例如,它们被用于纳米结构和电子元件的生产,但也用于实时监测化学反应。纳米波长范围内的强烈、极短波X射线脉冲很难产生,但现在维也纳工业大学已经开发了一种新的、更简单的方法:它并不是利用钛蓝宝石激光器,而是利用镱激光器。关键的技巧是,光通过气体来改变它的性质。激光束的波长取决于产生激光束的材料:在所涉及的原子或分子中,电子从一种状态转变为另一种能量较低的状态。这导致光子被发射出来——它的波长取决于电子在状态变化过程中损失了多少能量。通过这种方式,就可以产生不同颜色的激光——从红色到紫色。然而,为了制造波长更小的激光束,必须采用特殊的技巧:首先,制造波长更长的激光束,并向原子发射。一个电子被从原子中剥离出来,并在激光的电场中加速。然后它转回来,再次与原来的原子碰撞,从而产生短波X射线。这种技术被称为“高谐波产生”。维也纳工业大学光子学研究所的Paolo Carpeggiani解释称:“乍一看,这种情况似乎有些违反直觉。因为科学家们此前已经用事实证明——原始激光束的波长越大,你最终能达到的波长就越小。然而,X射线辐射的产生效率在这个过程中也会降低:如果你想产生非常短波的辐射,它的强度就会变得非常低。”到目前为止,这种技术几乎总是通过使用钛蓝宝石激光器,然后用特殊晶体增加其辐射波长,以便通过高谐波产生产生最短的X射线辐射。然而,维也纳工业大学的研究小组开发了一种更简单、同时也更强大的方法:他们使用镱激光器。镱激光器比钛蓝宝石激光器更简单、更便宜、更强大,但到目前为止,它们在X射线产生方面的性能要低得多。维也纳工业大学团队的关键突破点在于,他们首次增加了镱激光辐射的波长——不是像往常一样通过晶体发射,而是通过分子气体发射。这大大提高了发光效率,从以往的20%增加到80%左右。
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