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X 射线激光

2018.4.08

X 射线激光指的是 XFEL (x-ray free-electron laser),X 射线自由电子激光。而这种激光,是将自由电子激光技术(FEL)产生的激光,拓展到 X 射线范围内而产生的一种 X 射线激光。这种激光的强度可达传统方法产生的激光亮度的十亿倍,因此可让较小晶体产生出足够强的衍射图样,也就可以进行研究了。

传统激光技术,是以某种固体或气体激发介质为载体,激发原子核外电子到高能级,利用其跃迁到低能级时发射出的光子作为激光源,经过谐振腔选择波长、令其相干后发射到激光器外产生激光。显而易见的,受制于介质所拥有的电子数目,这种激光器的总输出能量是受限的。

而新型的自由电子激光技术(FEL)则不同。这种技术不再需要传统激发介质,而直接使用激发的电子流作为介质,使用其跃迁到低能级产生的光子,经谐振后发射出激光器。下图就是这种激光器的工作原理示意。将激发的电子流射入到 N、S 级交错排列的磁场,令其在磁场中做正弦运动,虽然在整个运动过程中,产生的光波长不一,但是由于磁场的排列是精心设计的,可令目标波长之外的光波互相干涉相消,而只留下目标波长的光波可以发射到外部,因此出射光即是满足要求的激光。

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由于电子束的密度不再受介质制约,而只受到产生能力的制约,而产生能力又是可以叠加的,因此产生的光强就可以远超传统方法产生的激光。此外,由于外加磁场的排布可调,这种方法可以产生出宽范围的激光——从毫米级波长的 THz 激光到纳米级别 X 射线激光都可以用这种方法产生。


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