新技术可高效产生X射线激光脉冲，发光效率大幅提升至80%

近日，奥地利维也纳工业大学（TU Wien）的一组研究人员宣布开发出一种新的、更简单、更有效的X射线激光脉冲产生技术。在日常场景中，医院里用来检查断腿这类的X光片很容易制作。然而，工业应用场景中则需要一种完全不同的X射线辐射——即尽可能短且高能的X射线激光脉冲。例如，它们被用于纳米结构和电子元件的生产，但也用于实时监测化学反应。纳米波长范围内的强烈、极短波X射线脉冲很难产生，但现在维也纳工业大学已经开发了一种新的、更简单的方法：它并不是利用钛蓝宝石激光器，而是利用镱激光器。关键的技巧是，光通过气体来改变它的性质。（图片来源：TU Wien）长波长转化产生短波长激光束激光束的波长取决于产生激光束的材料：在所涉及的原子或分子中，电子从一种状态转变为另一种能量较低的状态。这导致光子被发射出来——它的波长取决于电子在状态变化过程中损失了多少能量。通过这种方式，就可以产生不同颜色的激光——从红色到紫色。然而，为了制造波长更小的激光束，必须采用特殊的技巧：首先，制造波长更长的激光束，并向原子发射。一个电子被从原子中剥离出来，并在激光的电场中加速。然后它转回来，再次与原来的原子碰撞，从而产生短波X射线。这种技术被称为“高谐波产生”（high harmonic generation）。维也纳工业大学光子学研究所的Paolo Carpeggiani解释称：“乍一看，这种情况似乎有些违反直觉。因为科学家们此前已经用事实证明——原始激光束的波长越大，你最终能达到的波长就越小。然而，X射线辐射的产生效率在这个过程中也会降低：如果你想产生非常短波的辐射，它的强度就会变得非常低。”用镱代替钛蓝宝石，用气体代替水晶到目前为止，这种技术几乎总是通过使用钛蓝宝石激光器，然后用特殊晶体增加其辐射波长，以便通过高谐波产生产生最短的X射线辐射。然而，维也纳工业大学的研究小组开发了一种更简单、同时也更强大的方法：他们使用镱激光器。镱激光器比钛蓝宝石激光器更简单、更便宜、更强大，但到目前为止，它们在X射线产生方面的性能要低得多。维也纳工业大学团队的关键突破点在于，他们首次增加了镱激光辐射的波长——不是像往常一样通过晶体发射，而是通过分子气体发射。这大大提高了发光效率，从以往的20％增加到80％左右。