Элтон Р. Рентгеновские лазеры

Подождите немного. Документ загружается.

Рис. 3. Пропускание различных материалов ультрафиолетовой

оптики: а — LiF, 2 мм; b —

MgF2,

1 мм; с —

CaF2,

1 мм; d — сапфир,

1 мм; е — кварц, 1 мм; / — ADP, 2,5 мм; д — кальцит, 11 мм; h —

стекло, 1,3 мм [4].

Такие окна могут быть также использованы в качестве под-

ложек для многослойных полосных фильтров в области пропус-

кания. В качестве таких подложек были успешно использованы

фториды алюминия, лития и магния [6]. Максимальное пропус-

кание составило 15-30% с полушириной 150-400А.

2.2.2. Металлические пленки

В более коротковолновой области некоторые материалы, известные

как металлы со свободными электронами, ведут себя как плотная

плазма и используются в качестве широкополосных фильтров в

иде свободно висящих тонких пленок. Их полоса поглощения

простирается от коротковолнового края поглощения до плазмен-

ного края в длиноволновой области, за которым доминирует от-

ражение. В промежутке между этими краями глубина проникно-

Ния

Фотона велика. Если образец является достаточно тонким

\~ Ю00А), возможно пропускание до 70%. Коэффициенты про-

рис4

НИЯ

АЛЯ различных

материалов и толщин [6] показаны на

- 4. Такие пленки являются чрезвычайно хрупкими. Однако

100

0,1

ΑΙ

t=800A

t=1380A

t=950A

t=955A

t=1560A

_i_

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200

Длина волны, A

Рис. 4. Пропускания некоторых тонких металлических пленок

указанной толщины [6].

они успешно использовались с помощью узкой щели, микроотвер-

стия или поддерживающей основы из мелкой сетки при разности

давлений вплоть до атмосферы. Такие пленки не так удобны, как

толстые окна, особенно если требуется большая апертура.

Наиболее известным примером служит алюминий, который

пропускает между 170 и ~ 700А и вполне доступен в виде тонких

пленок. Бериллий и углерод (не показаны на рис. 4) — наиболее

популярные вещества для длин волн выше К-краев поглощения на

111 и 43,6А соответственно. Они имеют то преимущество, что их

можно использовать в более толстых и грубых слоях из-за малой

массы. Однако при работе с бериллием следует соблюдать меры

предосторожности из-за его токсичности. Как и кристаллические

окна, такие тонкие пленки могут служить в качестве полосных

фильтров, очень удобных для устранения нежелательного излуче-

ния из других спектральных диапазонов.

Введение

2.2.3.

Сквозные структуры

Другим способом изолирования областей

различным давлением

в отличие

от

окон служит скоростная дифференциальная откачка

в объем

низким давлением через щель

или

другое малое отвер-

стие.

Будучи иногда громоздкой,

она

может быть столь

же

эффек-

тивной,

как и

тонкая пленка

на

таком

же

отверстии,

является

единственным способом, когда

не

существует окон

пленочных

фильтров

для

интересующей

нас

длины волны. Камеры

микроот-

верстиями

для

рентгеновской диагностики, обсуждаемые

в п. 6.1.1

гл.

имеют сходную конструкцию.

2.3.

Отражатели

В этом разделе описываются оптические свойства отражателей

ВУФ-области. Резонаторы

схемы спектрографов рассматрива-

ются ниже (разд.

2.3 и 5.5 гл. 2).

2.3.1.

Металлические покрытия

2.3.1а. Нормальное падение.

Для

получения высокого отражения

ВУФ при

нормальном падении

поверхности выбор алюминие-

вого покрытия является очевидным

для

ВУФ-области 1000-2000А.

Коэффициенты отражения 80-90% могут сохраняться вплоть

до

1200А в

коротковолновой области

на

свежем слое алюминия,

по-

крытого фторидом магния

для

уменьшения окисления. Область

отражения может быть расширена

до ~

ЮООА

покрытием

из

фторида лития

[6].

Технология многослойных диэлектрических

покрытий также была распространена

на

ВУФ-область. Значения

коэффициентов отражения, большие

чем

90%, могут быть достиг-

нуты

диапазоне 1450-2000А. Действительно, зеркала

для ВУФ-

резонатора имели коэффициенты отражения

96 и

98%

при

1600

1900А соответственно

[7].

В более коротковолновой РУФ-области

мягком рентгеновском

диапазоне, который интересует

нас в

первую очередь,

все

вещества

являются поглощающими

различной степени

отражение замет-

но уменьшается. Некоторые металлы имеют отражение^ порядка

20%

[6] в

области длиннее 500А,

как

показано

на

рис.

Платино-

вые покрытия популярны

достаточно широком диапазоне длин

волн. Другие материалы,

не

показанные

на

этом рисунке, включая

Os, Rh и Re,

имеют похожие коэффициенты отражения.

Между

600 и

ЮООА карбид кремния, будучи чрезвычайно проч-

ным материалом

имея высокую теплопроводность, обладает

зна-

500 WOO 1500 200U

Длина волны, А

Рис.

5. Зависимость коэффициента отражения от длины волны

для некоторых материалов [6].

чительно более высоким коэффициентом отражения (~ 40%). Он

особенно привлекателен для изготовления зеркал резонаторов, ко-

гда могут иметься серьезные радиационные нагрузки и плазмен-

ная бомбардировка.

Для расширения диапазона высокого отражения при нормаль-

ном падении в РУФ-область были предложены многослойные пла-

тиноалюминиевые и иридий-алюминиевые покрытия [б]

2.3.16. Скользящее падение. Выше обсуждался случай нормаль-

ного падения луча на отражающую поверхность. Для длин волн

короче 50θΑ пригодные значения коэффициентов отражения мо-

гут быть достигнуты главным образом при угле скольжения в не-

сколько градусов. Это основано на полном внешнем отражении от

поверхности. Измерения коэффициентов отражения на линиях

от 114 до 8,ЗА для поверхности золота показаны на рис. 6 как

функции угла скольжения [8].

мягком рентгеновском диапазоне отражающая способность пр

нормальном падении становится крайне низкой у всех материалов.

Прим.

перев.

Введен^

θ, град

Рис.

6. Измеренные и рассчитанные (сплошные линии) коэффи-

циенты отражения от поверхности золота в зависимости от угла

скольжения θ: 1 — 8,34А; 2 —

13,ЗА;

3 —

23,бА;

4 — 44,7А; 5 —

64,4А; 6— 114А [8].

Основной проблемой, связанной с оптикой скользящего паде-

ния, является заметный астигматизм. Конфигурации скользяще-

го падения используются как для получения изображений, так и

для спектроскопии (пп. 6.1.3 и 6.2.2 гл. 2 соответственно). Для ком-

пенсации потерь, вызванных астигматизмом, применяются ком-

бинации из нескольких зеркал или зеркала и решетки. Оптика

скользящего падения не приспосабливается простым способом к

использованию в рентгеновских резонаторах (см. п. ^2.3.16 гл. 2).

2.3.2. Многослойные микроструктуры

Многослойные отражатели с большим числом слоев позволяют

улучшить отражение при нормальном падении в МР-области [9-

11].

Они состоят из чередующихся слоев сильно и слабо поглоща-

ющих веществ иногда равной толщины. Толщина периода соста-

вляет половину длины волны. Слои более сильно поглощающего

металла расположены в узлах стоячей волны, образованной супер-

позицией падающей и отраженной волн. Для оптимизированного

зеркала, т. е. имеющего большой коэффициент отражения, оба ма-

териала выбраны так, чтобы разность показателей затухания была

наибольшей

Современное

состояние работ по многослойным рентгеновским

зер-

калам

см. в

[14].

—

Прим. перев.

О 20 40 60 80 100

θ, град

Рис.

7. Вычисленные зависимости коэффициентов отражения от

угла скольжения для трех ММС на длине волны 124А. Нормальном!

падению соответствует угол 90° [11].

2.3.2а. Материалы. Углерод (и иногда бериллий и бор) наиболее!

часто используют для промежуточных слоев, потому что углерод]

как было найдено, образует стабильные границы' практически со

всеми тяжелыми металлами. Подходящими металлами являются!

Au, Pt, Ni, Rh, W и сплав ReW. (Важно, чтобы у выбранных ме*

таллов и углерода не было взаимной диффузии.) Такие покрытШ)

называются «многослойными микроструктурами» (ММС). Они

являются по существу искусственными кристаллами. Действй|

тельно, они могут быть использованы для дисперсии рентгенов*]

ских лучей (см. разд. 6.3 гл. 2). Углерод, однако, имеет главный*

край поглощения около 44А, за которым резко уменьшается

отр#1

жение рентгеновских лучей.

2.3.26. Коэффициенты отражения. Вычисленные коэффицией-1

ты отражения для трех ММС, рассчитанных на длину волны

124AJ

показаны на рис. 7. Вдоль оси абсцисс отложен угол,

отсчитаН-1

ный от поверхности зеркала, т. е. угол скольжения. Рисунок №1

монстрирует высокие коэффициенты отражения, предсказанныеI

вблизи нормального падения. (Рост отражения при

скользят^I

падении типичен для полного отражения от любых материалов-/1

Измеренные величины отражения являются значительно меньШ**'!

ми,

чем теоретически предсказанные. Особенно это

характер**

Ввел

0,1

-Kpau

I I I I I I I

d=22,6A; N=61

+ d = 52 A; N=30

о d=58A; N=30

ι ι ι ι ι ι ι ι I

Энергия фотонов, эВ

10"

Рис. 8. Измеренный пиковый коэффициент отражения структуры

вольфрам/углерод (W/C) для различных периодов d и числа слоев

[12].

для MP-области (рис. 8). Дополнительные потери могут быть от-

несены, по крайней мере частично, на счет шероховатостей гра-

ниц раздела между слоями. Структура Re/C, как было найдено^

образует самые ровные границы.

Измеренные пиковые коэффициенты отражений от вольфрам-

углеродных структур (W/C) собраны из разных работ на рис. 8

как функции энергии фотонов [12].

2.3.2в. Применение к рентгеновским лазерам. ΜМС обещают зна-

чительное улучшение отражения в рентгеновской области для зер-

кал резонаторов. Как угловое распределение, так и спектральная

рина полосы являются узкими [13]. Могут ли они выдержать

поток

Ю И интенсивн

вспышку рентгеновского излучения и

мат

43,0ΤΗ11

из

плазмы рентгеновского лазера, остается пробле-

му

чш

НЫМ

В настоя1

ее

время. Помимо проблемы шероховатостей

Роцесс

1Ие

включает в себя определение констант веществ,

С й°

К0НТ

Р°

ЛЯ

подбор чередующихся материалов.

3е

Ркал

аС Такие

многослойные покрытия используются как для

Ростр

ТаК И Аля

еше

ток [13]. Одной из задач является рас-

ение спектроскопии нормального падения на область 25-

Глава

300А, где пока приходится использовать методы скользящего па*

дения, что значительно упростило бы спектроскопические иссле*

дования в этой области, а также увеличило светосилу приборов.

Литература

Samson J. Α., "Techniques of Vacuum Ultraviolet Spectroscopy" (Pied

Publications, Inc., Lincoln, Nebraska, 1967).

Bearden J. Α., Reviews of Modern Physics, 39, 78 (1967).

Handbook of Chemistry and Physics, current edition (CRC Press, Inc.,

Cleveland, Ohio).

Reintjes J. F., "Coherent Ultraviolet and Vacuum Ultraviolet Sources",

in Laser Handbook, M. Bass, M. L. Stitch, eds. (North-Holland, New

York, 1985).

5. Hass G., Hunter W. Appl. Optics, 17, 2310 (1978).

6. Hunter W. R., "A Review of Vacuum Ultraviolet Optics", SPIE Proc,

No.

140: Optical Coatings II, p. 122 (1978).

7. Marling J. В.,

Lang

D. В., Appl. Phys. Lett., 31, 181 (1977).

Henke

B. L., in: AIP Conference Proceedings No. 75, "Low Energy X-

ray Diagnostics", D. T. Attwood, B. L. Henke, eds., p. 85 (American

Institute of Physics, New York, 1981).

9. Spiller E.

}

SegmiiUer A., Annals New York Acad. Sci, 342, 188 (1980).

10.

Recent status collected in "Miltilayer Structures and Laboratory X-Ray

Laser Research", N. M. Ceglio, P. Dhez, eds., SPIE Proceedings, 688,

76 (1986).

11.

Barbee T. W.

Jr., in: "X-Ray Microscopy", G. Schmahl, D. Rudolph,;

eds.,

p. 144 (Springer-Verlag, New York, 1984). [Имеется перевод:

Рентгеновская оптика и микроскопия. — Под ред. Г. Шмаля,

Д.

Рудольфа. — М.: Мир, 1987.

12.

Barbee Т. W., 7г., in: AIP Conference Proceedings No. 75, "Low En-

ergy X-Ray Diagnostics", D. T. Attwood, B. L. Henke, eds., p. 131

(American Institute of Physics, New York, 1981).

13.

Hunter W. in: "Technologies for Optoelectronics", R. F. Potter,

J. M. Bulabois, eds., SPIE Proceedings, 869, 123 (1988).

14*.

Chakraborty P., Int. J. of Modern Phys. В 5, 2133 (1991).

Глава

Принципы коротковолновых

лазеров

Режимы работы

Как уже отмечалось, в MP-области спектра зеркала резонаторов

имеют низкие коэффициенты отражения, по крайней мере по ла-

зерным стандартам. Поэтому в данном случае обычно считается

необходимым достичь желаемого усиления за один проход фотона

через лазерную среду. Такой режим работы называется либо «без-

зеркальным», либо режимом «усиления спонтанного излучения»,

сокращенно УСИ. Мы будем использовать последнюю терминоло-

гию.

В литературе имеются значительные терминологические про-

тиворечия между УСИ и двумя другими более экзотическими ре-

жимами, а именно «сверхизлучением» и «сверхфлуоресценцией».

Поэтому, прежде чем приступать к формулированию принципов

УСИ, следует сказать несколько слов об этих режимах.

1.1. Сверхизлучение Дике

В 1954 г., задолго до изобретения лазеров, Р. Г. Дике [2] предпо-

ложил, что большое количество атомов JV

, заключенных в малом

объеме, могут колебаться с очень высокой степенью когерентно-

сти между отдельными диполями. В этом случае макроскопиче-

ский дипольный момент равен

где μ

— дипольный момент

одного атома. Атомы здесь являются сильно связанными через

свои собственные поля излучения. Мощность когерентного излу-

чения будет тогда пропорциональна

(Ν

)

что отличалось бы от

интенсивности спонтанного излучения, которая пропорциональна

. Такая вспышка когерентного излучения имела бы длитель-

ность, пропорциональную l/iV

, тогда как время экспоненциаль-

ного затухания спонтанного излучения от N

не зависит. Такой

вид излучения получил название «сверхизлучение Дике».

Предположим далее, что атомы колеблются некогерентным об-

разом, так что все их диполи имеют случайные фазы и находятся

Глава.

состоянии частичной инверсии заселенности. В той же статье

Дике указал, что атомы были бы все еще радиационно связаны при

условии, что занимаемый ими объем был бы «С А

, где А — длина

волны излучения. Следовательно, такая инверсная система могла

бы проявлять значительную когерентную макроскопическую по-

ляризацию и излучала бы опять как

(Ν

)

Однако требуемые

размеры слишком малы, чтобы было возможно наблюдать эффект,

и он служит лишь введением к описанию явления, которое стало

известно как «сверхфлуоресценция».

1.2. Сверх флуоресценция

С#ерхфлуоресценция представляет собой более общий случай

сэерхизлучения, когда ансамбль диполей не является когерент-

ным. В этом случае атомы занимают объем больший по сравне-

нию с А

. Для этого эффекта требуются специальные условия:

главным образом очень сильный и узкий атомный переход и очень

высокие плотности инверсии. Это необходимо для того, чтобы

радиационная связь между атомами оставалась сильной даже на

больших расстояниях. Иначе говоря, длина образца должна быть

не больше длины пробега излучения в обратных атомных шири-

нах линии. В этом случае атомы успевают почувствовать друг |

друга за время, малое по сравнению с временем релаксации фазы. |

Интенсивность вспышки излучения вновь пропорциональна Ν%

Такое излучение возникает в узком конусе, определяемом аспект-

цым отношением, из каждого конца вытянутого объема, занятого

атомами, с числом Френеля Τ = r

/LA « 1, где L — длина, а г —

радиус объема.

1.3. Усиленное спонтанное излучение (УСИ)

Усиленное спонтанное излучение в настоящем контексте можно

понимать как допороговую сверхфлуоресценцию. Это понятие от-

носится к ситуации, изображенной на рис. 1 [3]. В этом режиме

работы спонтанное излучение от группы атомов с инверсной засе-

ленностью линейно усиливается такими же атомами с заметным

усилением по крайней мере в одном направлении, однако усиление,

вероятность перехода и ширина линии не являются подходящим**

для возникновения более сложных явлений сверхфлуоресценциИ)

описанных выше.

Система может в принципе изменять режим работы от УСИ Д°

еверхфлуоресценции и, возможно, даже сверхизлучения. НапрА

мер,

большая узость линии может быть связана с большим врем^