Rentgenové lasery

Animované schéma uspořádání rentgenového laseru

Aktivním prostředím zde vyvíjených laserů v oboru měkkého rentgenového záření (X-ray lasers, akronym XRL) je sloupec laserového plazmatu. K čerpání slouží výkonový infračervený laser, poskytující sekvenci dvou pulsů fokusovaných na povrch kovového masivního terče. Zatímco první puls vaporizuje materiál teče a vytvoří slabě ionizované plazma, druhý puls generaci plazmatu dále akceleruje a ohřeje toto plazma na teplotu poskytující vhodnou ionizační rovnováhu a vedoucí ke generaci inverze populace.

Ionty konstituující aktivní prostředí rentgenových laserů jsou neonu-podobné (1s22s22p6, 10 zbytkových vázaných elektronů) nebo niklu-podobné (1s22s22p63s23p63d10, 28 zbytkových vázaných elektronů). Tyto dvě izoelektronové konfigurace jsou charakterizovány uzavřenou hlavní slupkou (n = 1, 2 pro neonu-podobné, respektive n = 1, 2, 3 pro niklu-podobné ionty) a v laserovém plazmatu se vyskytují v hojném zastoupení vůči širokému rozpětí hustot plazmatu a/nebo elektronové teploty.

Zinkový rentgenový laser na vlnové délce 21,2 nm s energií pulsu několik mJ

Páteří našeho současného experimentálního programu je neonu-podobný zinkový rentgenový laser. Inverze populace je zde vytvářena mezi hladinami jemné struktury konfigurací 2p53p a 2p53s mechanismem srážkové excitace základního stavu 2p6 volnými elektrony plazmatu. Inverze populace je udržována díky silnému zářivému přechodu ze stavu 3s do základního stavu, zatímco horní laserová hladina 3p je, následkem výběrových pravidel, vůči dipólové radiační deexcitaci metastabilní. Za určitých podmínek je nejsilnější inverze populace generována (díky největší monopólové srážkové excitační rychlosti ze základního stavu) mezi hladinami jemné struktury (2p51/23p1/2)J=0 a (2p51/23s1/2)J=1, což v neonu-podobném zinku odpovídá vlnové délce 21,22 nm.

Čerpací sekvence zinkového laseru sestává z odděleně generovaného a fokusovaného prepulsu (energie několik J) a hlavního pulsu (400 až 600 J), oba o délce cca 400 ps. Nominální délka vytvářeného sloupce plazmatu je 3 cm. Laserová akce je generována v dvouprůchodovém režimu, čehož je dosaženo odrazem generovaného záření na Mo:Si multivrstvém zrcadle umístěném ve vzdálenosti cca 1 cm od konce plazmatického sloupce.

Svazek emitovaný rentgenovým laserem je směrován do jedné z typicky tří alternativních optických tras, prostřednictvím odrazu na multivrstvém zrcadle. Jedna z těchto tras je využívána pro aplikační projekty, v nichž je svazek využit například jako zdroj koherentního záření pro rentgenovou interferometrii povrchů, jako pulsní zdroj pro studium ablace materiálů rentgenovým zářením, ke generaci či prozařování astrofyzikálního plazmatu, nebo pro ozařování biomolekulárních vzorků.

Zinkový rentgenový laser je generován sekvencí neúplně fokusovaného prepulsu (typicky 700 µm široký lineární fokus), aplikovaného na terč 10 až 50 ns před příchodem hlavního pulsu. Ten je fokusován do úzké lineární stopy o šířce řádově ~ 100 µm prostřednictvím speciální cylindrické kompozitní optiky. Toto uspořádání, poprvé použité naší skupinou, v němž je sloupec zesilujícího plazmatu vytvořen uvnitř mnohem širšího prepulsního plazmatu, umožňuje generovat mimořádně kvalitní a prostorově vysoce koherentní rentgenový svazek.

Plasma vytvářené prepulsem		Zesilující plazma generované hlavním pulsem

		Rentgenový svazek zinkového laseru, emitovaný polokavitou, poskytuje v jednom pulsu energii 4 až 10 mJ, v závislosti na vzdálenosti prepulsu a hlavního čerpacího pulsu (10 až 50 ns). Tato energie odpovídá, vzhledem k délce rentgenového pulsu ~ 100 ps, špičkovému výkonu 40 až 100 MW. Oba tyto parametry, energie pulsu i špičkový výkon, představují rekordní hodnoty dosažené pro jakýkoli dosavadní rentgenový laser. Divergence polokavitou generovaného svazku zinkového laseru je typicky 3 × 5 miliradiánů (horizontální × vertikální).
Svazek polokavitou generovaného Zn rentgenového laseru

Příklad aplikace zinkového rentgenového laseru na vlnové délce 21,2 nm

Kromě samotného vývoje rentgenových laserů rozvíjí naše skupina několik aplikačních projektů, využívajících extremní jas a koherenci těchto radiačních zdrojů. Mezi rozvíjené projekty patří zejména rentgenová interferometrie/holografie povrchů, založená na Lloydově interferometru pokročilé koncepce a vyznačující se rozlišovací schopností řádu nanometrů. Další připravovanou aplikací je generace superhustého plazmatu prostřednictvím fokusovaného svazku rentgenového laseru. Mezi projekty vyvíjené ve spolupráci s jinými týmy se řadí interferometrické sondování povrchů vystaveným extrémně silným elektrickým polem nebo světelným zářením, jakož i ablace materiálů, využitelných v mikrofabrikačních technologiích, měkkým rentgenovým zářením.

Interferometrické sondování povrchu niobových vrstev vystavených silným elektrickým polím: modifikace reliéfu povrchu při 50 MV/m, při kladné polaritě niobové vrstvy vzhledem k nožové elektrodě (spolupráce s laboratořemi LIXAM/IOTA, Université Paris-Sud, Francie)