Hvorfor er det vanskeligt at opnå laserhandling (stimuleret emission) ved højere frekvensområde som røntgenstråler?

1. Mangel på passende gevinstmedier:

* Befolkningsinversion: Oprettelse af en befolkningsinversion, hvor flere atomer er i en ophidset tilstand end jordtilstanden, er afgørende for stimuleret emission. Hos røntgenenergier er de ophidsede tilstande meget kortvarige, hvilket gør det ekstremt vanskeligt at opnå og opretholde en betydelig befolkningsinversion.

* Energiniveau: Røntgenstråler involverer overgange mellem kerneelektroner, som har meget tæt bundet energiniveau. Dette betyder, at den energi, der kræves for at begejstre disse elektroner, er meget høj, og energiforskellen mellem niveauer er også stor. Det er vanskeligt at finde materialer med passende energiniveau til røntgenbillede.

2. Vanskeligheder med hulrum:

* Optiske hulrum: Konventionelle optiske hulrum, der bruges til lasere, er afhængige af spejle til at afspejle fotoner frem og tilbage og forstærke lyset. Imidlertid interagerer røntgenstråler meget svagt med stof. Det er ekstremt udfordrende at finde materialer, der effektivt kan afspejle røntgenstråler og skabe et resonanshulrum.

* diffraktion: Bølgelængden af ​​røntgenstråler er meget kortere end synligt lys, hvilket fører til betydelige diffraktionseffekter. Dette gør det vanskeligt at begrænse og fokusere røntgenstrålerne i et hulrum.

3. Kort sammenhængslængde:

* sammenhæng: Røntgenfotoner udsendes med meget korte kohærenslængder, hvilket betyder, at de har et begrænset interval af bølgelængder og ikke synkroniseres over lange afstande. Dette begrænser den samlede sammenhæng af røntgenbillede-laserudgangen.

4. Krav til høj energi:

* excitation: Pumpning af et forstærkemedium for at opnå befolkningsinversion i røntgenregimet kræver ekstremt højenergikilder, ofte i form af kraftige lasere eller synkrotroner. Disse kilder er selv komplekse og dyre at betjene.

5. Kompleksitet af røntgenoptik:

* Fokusering og manipulation: Manipulering af røntgenstråler kræver specialiseret optik, såsom flerlag og bragg-krystaller, som kan være vanskelige at fremstille og justere.

På trods af disse udfordringer gøres der betydelige fremskridt inden for røntgenlaserforskning:

* Gratis elektronlasere (FELS): Fels bruger relativistiske elektroner i en Wiggler til at generere sammenhængende røntgenstråling. De er magtfulde kilder til røntgenstråler, selvom de er store og komplekse faciliteter.

* Høj harmonisk generation (HHG): Denne teknik involverer at fokusere intense laserimpulser i en gas, der producerer højordens harmonik, der kan nå røntgenregimet. Selvom de ikke er så magtfulde som FELS, bliver HHG -kilder mere kompakte og effektive.

Mens opnåelse af traditionel laserhandling ved røntgenbølgelængder forbliver en formidabel udfordring, åbner disse alternative tilgange spændende muligheder for at udforske nye grænser inden for røntgenvidenskab og teknologi.