X線レーザー

X線レーザーは、高温高密度プラズマを用いる方法、あるいは加速器内で自由電子レーザーとして生成する方法など、いくつかの方法で生成できます。この記事では、プラズマを用いたX線レーザーについてのみ説明します。

プラズマX線レーザーは、誘導放出を利用して、近X線または極端紫外線領域（通常は波長約3ナノメートルから数十ナノメートル）のスペクトルにおいて、コヒーレントで指向性のある高輝度電磁放射を生成または増幅します。

レーザー媒質の利得が高く、励起状態の寿命が短い（1 ～ 100 ps ）ため、X線レーザーは通常ミラーを使用せずに動作します。X線ビームは、利得媒質を1回通過することで生成されます。増幅自発放出に基づく放出放射線は、空間コヒーレンスが比較的低いです。スペクトル線は主にドップラー広がりを持ち、これはイオンの温度に依存します。 

一般的な可視光レーザーにおける電子状態または振動状態間の遷移は、せいぜい約10 eV程度のエネルギーしか持たないため、 X線レーザーには異なる活性媒体が必要となる。

1978年から1988年にかけて、米軍は「スターウォーズ」戦略防衛構想（SDI）の一環として、弾道ミサイル防衛用の核爆発励起X線レーザーの開発を試みた。^{[ 1 ]}

最もよく使用される媒体には、毛細管放電で生成される、または直線状に集束された光パルスが固体ターゲットに当たるときに生成される高電離プラズマが含まれます。サハの電離方程式によれば、最も安定な電子配置は、10個の電子が残るネオン型と、28個の電子が残るニッケル型です。高電離プラズマにおける電子遷移は、通常、数百電子ボルト（eV ）程度のエネルギーに対応します。

プラズマX線レーザーを生成する一般的な方法には、以下のようなものがある。

• 毛細管プラズマ放電媒体：この構成では、数センチメートル長の耐熱材料（例えばアルミナ）製の毛細管が、低圧ガス中に高電流、サブマイクロ秒の電気パルスを閉じ込めます。ローレンツ力によりプラズマ放電がさらに圧縮されます（ピンチを参照）。さらに、電離前の電気パルスまたは光パルスがよく使用されます。例として、1994年に初めて実証された、47 nmの放射を生成する毛細管ネオン様Ar ⁸⁺レーザーがあります。^{[ 2 ]} 
• 固体スラブターゲット媒体：超高強度の光（レーザー）パルスが照射されると、金属ターゲットは蒸発し、高励起プラズマを放出します。ここでも、いわゆる「過渡ポンピング」方式では、通常、一対のパルスが使用されます。^{[ 3 ]} (1) ナノ秒オーダーの長いパルス（場合によっては、1つまたは複数のより短い「プレパルス」が先行する）がプラズマ生成によく使用され、(2) 2番目の、より短い（数百フェムト秒またはピコ秒オーダー）より高エネルギーのパルスが、プラズマ体積内でのさらなる励起に使用されます。寿命が短い場合、いわゆる「進行波」が開発されており、X線光子が通過する直前にプラズマが加熱されます（いわゆる「ギロチン原理」ジオメトリ）。加熱レーザーパルスから活性媒体（プラズマ）へのエネルギー伝達効率を高めるために、せん断励起パルスが使用されることがあり、これはGRIP（斜入射ポンプ）ジオメトリと呼ばれます。プラズマの屈折率勾配により、増幅されたパルスはターゲット表面で曲がってしまう。これは、共鳴周波数以上の周波数では、物質密度の上昇に伴い屈折率が低下するためである。この現象は、湾曲したターゲットを使用するか、複数のターゲットを直列に接続することで補償できる。
• 光場によって励起されるプラズマ：有効な電子トンネル効果を引き起こすのに十分な光密度、あるいは電位障壁を抑制するのに十分な光密度（> 10 ¹⁶  W/cm ²）では、毛細管やターゲットに接触することなくガスを高度に電離することが可能です。通常は共線配置が用いられ、ポンプパルスと信号パルスの同期が可能になります。

代替の増幅媒体としては、自由電子レーザーにおける相対論的電子ビームが挙げられる。厳密に言えば、これは誘導放出ではなく誘導コンプトン散乱を利用している。

光誘起コヒーレントX線発生の他のアプローチとしては、以下のようなものがある。

• 高次高調波発生^{[ 4 ] [ 5 ] [ 6 ]}
• 誘導トムソン散乱
• ベータトロン放射線^{[ 7 ]}

コヒーレントX線放射の応用には、コヒーレント回折イメージング^{[ 8 ]} 、高密度プラズマの研究^{[ 9 ]}（可視光線に対して不透明）、X線顕微鏡、位相分解医療イメージング^{[ 10 ]} 、材料表面研究^{[ 11 ]} 、および兵器が含まれます。

軟X線レーザーは、アブレーションレーザー推進を行うことができる。

• 欧州X線自由電子レーザー
• 工業用CTスキャン
• SLACにあるLCLS X線自由電子レーザー