Новости

Дата публикации: 09/03/2017

Китайский лазер: от ультрафиолета до рентгена

блок

Китайские физики спроектировали уникальный лазер на свободных электронах. Установка генерирует импульсы в 140 трлн фотонов в пикосекунду, что обеспечивает самое яркое в мире ультрафиолетовое излучение. Специалисты утверждают, более 90% комплектующих разработаны и произведены в КНР. Новинка расширит возможности ученых по изучению многих физических, биологических и химических процессов.

Сегодня релятивистская электроника интенсивно развивается, и значительное место в ней отведено лазерам на свободных электронах (ЛСЭ). Такой прибор генерирует и усиливает когерентное излучение, состоящее из пучков ультрарелятивистских частиц, совершающих поступательное и колебательное движение в поле внешних сил. Их поток проходит через ондулятор ― систему дипольных магнитов. Полярность каждого последующего магнита противоположна предыдущему, что создает сильное поперечное знакопеременное магнитное поле.

В отличие от газовых, жидкостных или твердотельных лазеров, где электроны возбуждаются в связанных атомных или молекулярных состояниях, источником излучения в ЛСЭ являются пакеты электронов. Частицы, двигаясь по синусоидальной траектории, теряют энергию, которая преобразуется в поток фотонов. Далее луч собирается и усиливается системой зеркал, установленных на концах ондулятора. Меняя энергию электронного пучка, а также параметры устройства (силу магнитного поля и расстояние между магнитами), можно плавно изменять частоту излучения — от жесткого ультрафиолетового до мягкого рентгеновского. К тому же относительно малая оптическая плотность и «простота» рабочей среды прибора обеспечивают предельно малую угловую (дифракционную) расходимость светового потока.

Ключевой компонент ЛСЭ — ускоритель, работающий в импульсном режиме с частотой до 1000 Гц. Каждый импульс состоит из последовательных электронных сгустков пикосекундной длительности. В идеале энергия каждого электрона, вылетающего из ускорителя, одинакова. Однако, из-за конструктивных особенностей устройства и системы транспортировки, частицы расходятся по импульсам в поперечном и продольном направлениях. Расхождение учитывается так называемым «эмиттансом пучка» — показателем яркости светового потока.

Другой важный элемент — зеркала резонатора. Для лазеров с малым усилением в видимом и Уф-диапазонах коэффициент зеркального отражения имеет принципиальное значение. При большой энергии электронов мощное Уф-излучение быстро разрушает покрытие с высокой способностью к отражению. Хотя определение оптимального коэффициента — закрытая область исследований, его значение для видимой части спектра известно и составляет R~0,9995.

Лазеры на свободных электронах применяются для решения различных научных и практических задач. Они позволяют исследовать строение молекулярных структур и процессов. Если длительность светового импульса меньше времени релаксации молекулы, то можно с высокой точностью контролировать различные виды элементарных возбуждений. Например, цепные реакции, когда фотодиссоциация одной молекулы приводит к образованию множества других, или изучение низкоэнергетических состояний Ван-дер-Ваальса с помощью лучей дальнего инфракрасного диапазона (~100 мкм).

Появление прибора, генерирующего излучение в Уф-части спектра, повлияло на развитие физики твердого тела. Так фирма «Bell Laboratories» использовала лазер для исследований в области нелинейной спектроскопии и переходных состояний. В первом случае с его помощью изучались процессы вынужденного испускания, неупругого рассеяния возбужденных электронов, оптической накачки и т.д. Во втором — выяснялся механизм преобразования энергии в молекулах, твердых телах и жидкостях, а также релаксации горячего электронно-дырочного газа в полупроводниках.

«Мягкое» рентгеновское излучение ЛСЭ применяется в хирургии и фоторадиационной медицине. Что касается хирургии, оптимальный результат получается благодаря небольшому размеру рабочего пятна и плавной перестройки частоты облучения. А радиационная медицина использует излучение определенной длины волны для активации предварительно введенных в ткань красителей. В ходе процесса выделяются свободный кислород и антитела, которые убивают больные клетки без хирургического вмешательства.

И, наконец, лазеры на свободных электронах находятся в зоне пристального внимания военных. Так Пентагон давно финансирует создание наземного комплекса противовоздушной и противоракетной обороны, а Лаборатория Джефферсона собирает мегаваттный ЛСЭ воздушного базирования. В 2010 г. по заказу ВМС США Boeing Directed Energy Systems объявили о завершении работы над проектом системы наступательного вооружения. В то же время Лос-Аламосская национальная лаборатория разрабатывает аналогичный продукт на свободных электронах, причем испытания полноразмерного прототипа намечены на 2018 год.



Статьи по теме:

страницы: 1