Laser à rayons X - X-ray laser

Un laser à rayons X est un appareil qui utilise une émission stimulée pour générer ou amplifier un rayonnement électromagnétique dans la région des rayons X proches ou de l'extrême ultraviolet du spectre, c'est-à-dire généralement de l'ordre de plusieurs dizaines de nanomètres (nm) de longueur d'onde .

En raison du gain élevé dans le milieu laser, des courtes durées de vie à l'état supérieur (1 à 100  ps ) et des problèmes associés à la construction de miroirs susceptibles de refléter les rayons X, les lasers à rayons X fonctionnent généralement sans miroirs ; le faisceau de rayons X est généré par un seul passage à travers le milieu amplificateur. Le rayonnement émis, basé sur une émission spontanée amplifiée , a une cohérence spatiale relativement faible . La raie est majoritairement élargie au Doppler , ce qui dépend de la température des ions.

Comme les transitions laser communes de lumière visible entre les états électroniques ou vibrationnels correspondent à des énergies allant jusqu'à environ 10 eV seulement , différents milieux actifs sont nécessaires pour les lasers à rayons X. Encore une fois, différents milieux actifs - des noyaux atomiques excités - doivent être utilisés si des lasers gamma à fréquence encore plus élevée doivent être construits.

Entre 1978 et 1988, dans le cadre du projet Excalibur, l'armée américaine a tenté de développer un laser à rayons X à explosion nucléaire pour la défense antimissile balistique dans le cadre de l' Initiative de défense stratégique (SDI) « Star Wars » .

Médias actifs laser à rayons X

Les milieux les plus souvent utilisés comprennent les plasmas hautement ionisés , créés dans une décharge capillaire ou lorsqu'une impulsion optique focalisée linéairement frappe une cible solide. Conformément à l' équation d'ionisation de Saha , les configurations électroniques les plus stables sont de type néon avec 10 électrons restants et de type nickel avec 28 électrons restants. Les transitions électroniques dans les plasmas fortement ionisés correspondent généralement à des énergies de l'ordre de centaines d'électrons-volts (eV).

Les chambres à vide du laboratoire PALS à Prague, où une impulsion de 1 kJ crée du plasma pour la génération de rayons X

Les méthodes courantes de création de lasers à rayons X comprennent :

  • Média capillaire à décharge de plasma : dans cette configuration, un capillaire de plusieurs centimètres de long fait d'un matériau résistant (par exemple, de l' alumine ) confine une impulsion électrique à courant élevé et submicroseconde dans un gaz à basse pression. La force de Lorentz provoque une compression supplémentaire de la décharge de plasma (voir pincement ). De plus, une impulsion électrique ou optique de pré-ionisation est souvent utilisée. Un exemple est le laser capillaire Ar 8+ de type néon (générant un rayonnement à 47 nm).
  • Cible en plaque solide : Après avoir été touchée par une impulsion optique, la cible émet un plasma hautement excité. Encore une fois, une "pré-impulsion" plus longue est souvent utilisée pour la création de plasma et une seconde impulsion plus courte et plus énergétique est utilisée pour une excitation supplémentaire dans le volume de plasma. Pour des durées de vie courtes, une impulsion d'excitation cisaillée peut être nécessaire (GRIP - pompe à incidence rasante ). Le gradient de l' indice de réfraction du plasma fait que l'impulsion amplifiée se courbe depuis la surface cible, car aux fréquences supérieures à la résonance, l'indice de réfraction diminue avec la densité de matière. Ceci peut être compensé en utilisant des cibles courbes ou plusieurs cibles en série.
  • Plasma excité par champ optique : A des densités optiques suffisamment élevées pour provoquer un effet tunnel électronique efficace , ou même pour supprimer la barrière de potentiel (> 10 16  W/cm 2 ), il est possible d'ioniser fortement le gaz sans contact avec aucun capillaire ou cible. Une configuration colinéaire est généralement utilisée, permettant la synchronisation des impulsions de pompe et de signal.

Un autre milieu d'amplification est le faisceau d'électrons relativiste dans un laser à électrons libres , qui, à proprement parler, utilise la diffusion Compton stimulée au lieu de l'émission stimulée.

D'autres approches de la génération de rayons X cohérents induits optiquement sont :

Applications

Les applications du rayonnement X cohérent comprennent l' imagerie par diffraction cohérente , la recherche sur les plasmas denses (non transparents au rayonnement visible), la microscopie à rayons X, l'imagerie médicale à résolution de phase , la recherche sur la surface des matériaux et l'armement.

Un laser à rayons X doux peut effectuer une propulsion laser ablative .

Voir également

Les références

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