Физическая энциклопедия Том 4 - Порохов А.М.
Скачать (прямая ссылка):
Цо?>1, (1)
где резонансный коэф. усиления
M-O=
X1
4я
(2)
здесь AN = TV3 — (gi/gi)Ni; N2, N1 — населённости верх, и ннж. рабочих уровней, g2, — кратности их
вырождения, Г — ширина линии усиления, T1 — спонтанное время жнзни. Пороговая уд. мощность пакачки определяется условием
W>
Пел AN _1_ T1
(3)
или
Wnop=
п Cl) ItTlY
6 XiL
4яГ Ztc б XiL
где Aoj = S2— Sx, Ь — (S2 — S ^iSll — отношение энергии рабочего перехода к энергии Sa, затрачиваемой на создание иона требуемой кратности на верх, рабочем уровне. В предположении, что лазерное излучение полностью поглощается в слое плазмы, являющейся активной средой и имеющей длину L и поперечный диаметр d, а также что ширина линии усиления определяется доплеровским уширением Г = Aco0 = VrIc =
— 2яугА, пороговая интенсивность лазерного излучении накачки
^nop-
2(2я )2hcdvr
6 XiL
При L ~ I см, d ~ 10-а см, vT ~ 10е см/с
_ IO11 - Вт П0Р~А>Гнм]б ем1 '
(4)
Требования к мощности накачки пе являются очень жёсткими в области X = (0,1—10) нм. Гораздо более жёсткие требования предъявляются к энерговкладу. Из (4) следует, что
^tiop—W7Jiop T1LS'
Лю
РЕНТГЕНОВСКИЙ
X
U
tt
о
X
К
>-
X
ш
&
здесь nDOp — пороговая концентрация ионов. Если 6 — 0,4 и ли0р = IOaa см-3, т. е. ппор ~ концентрации атомов в твёрдом теле, то знерговклад на единицу длины активной среды
Sпор
L
2-Ю* Дж
Л[нм]6 noP ~ L Я.[нм] см
(6)
Збб
Для значений Г T1 10 и L ~ 1 см пороговые значения концентрации ионов, согласно (1) и (2), определяются выражением nnvр « IO8ZX2 [нм] см-8, что существенно меньше концентрации атомов в твёрдом теле. Так, при ппор ~ Ю1в см*3 из (6) следует SnovIL ~ 2-Ю-8 Х[им] Дж/см, что выполнимо для широкого класса систем накачки.
Основные механизмы создании инверсии. Предложено ок. 10 механизмов создания инверсии между уровнями в атомах или ионах активной среды Р. л., нек-рые из иих являются развитием методов, широко использующихся в традиционных оптич., И К- и УФ-лазерах, другие применимы лишь в рентг. области. Реализованы два механизма: столкновит. возбуждение и рекомби-нац. накачка. В лазерной плазме, в отличие от плазмы низкой плотности, распределение частиц по знергетич. уровням может существенно отличаться от равновесного и определяется соотношением скоростей процессов ионизации, рекомбинации электронов и иоиов, возбуждения ионов, а также излучат, процессов. Прн высоких значениях электронной плотности преобладают процессы трёхчастичной рекомбинации: напр., A”+1 -f- е + е -> (An)* Ц- е, где (А”)* — возбуждённое состояние иона кратности п. Поскольку в этом случае третья частица принимает часть энергии, то электроны оказываются на высоковозбуждённых уровнях нона (А")*, последующая релаксация в оси. состояние идёт лиоо излучательным, либо столкновит. путём.
В случае ннзкон плотности электронов преобладают процессы излучат, рекомбинации, когда электрон оказывается иа ниж. уровнях иоиа А": если электронная темп-pa при этом велика, то ион оказывается в осн. состоянии. Указанные процессы и определяют два осн. механизма создания в Р. л. инверсии. Р. л. со с т о л к-нов п тельной накачкой по принципу действия гораздо ближе к традиц. лазерам, работающим в видимой области. В этом случае в качестве активной среды используется высокотемпературная плазма низкой плотности. В результате нзлучат. рекомбинации
заселяются осн. состояния 3р рабочих ионов (иапр., уровни 2S2P6 в случае иона Se24+; рис.). Верхний рабочий уровень 3р заселяется из осн. состояния при соударениях ионов плазмы с электронами, инжннй рабочий уровень 3s быстро опустошается за счёт быстрого излучат. распада 3s —> 2р. Переход 3р —> 2р запрещён. Генерация рентг. излучения идёт на излучательпо разрешённом переходе Sp —> Ss. Плазма должна быть ои-2P тически тонкой для излучения на переходе 3s -> 2р (с тем чтобы избежать заселения уровня 3s в результате пленения излучения на переходе 3s —> 2р).
В лазерах с рекомбинационной накачкой используется быстрое охлаждение высокоплот-ной плазмы. В этом случае электроны, оказавшиеся иа высоких уровнях нона (An)*, начинают релаксиро-вать под влиянием излучат, и столкновит. переходов. Еслн электронная темп-pa мала, то столкновит. процессы важны лишь при переходах между верх, уровнями, когда kTe її ЙWntn, где conm = (Sn — Sm)lh —
частота перехода с уровня с энергией Sn на уровень с энергией Sm. С ростом Wnm сечение столкновит. пере* ходов падает, а излучательных — растёт. Чем ближе уровень к основному, тем выше скорость спонтанных переходов, поэтому возможно возникновение инверсна между возбуждёнными уровнями за счёт того, что ниж. уровень будет опустошаться быстрее, чем верхний. Если скорость притока частиц на верх, рабочий уровень за счёт рекомбинац. процессов будет удовлетворять пороговому условию (3), то в этом случае возможна квазистационарная генерация, к-рая прекратится, когда нарушится пороговое условие из-за охлаждения плазмы. Такой тин генерация рентг. излучения бцп
