自激光器發(fā)明以來，人們就一直致力于通過原子能級躍遷來獲得更短的激光波長。X射線自由電子激光的出現(xiàn)為原子X射線激光的產(chǎn)生提供了很好的泵浦源。文中應(yīng)用X射線自由電子激光來電離原子內(nèi)K殼層電子，從而實(shí)現(xiàn)了原子能級間的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，并且獲得了波長為1.46nm(對應(yīng)于849eV的單光子能量)的氖離子Kα受激輻射光。本實(shí)驗(yàn)中所得到的原子X射線激光脈沖，無論是在更短波長還是更高強(qiáng)度等方面，都優(yōu)于以往所見報道的實(shí)驗(yàn)成果。另外與X射線自由電子激光相比，該原子X射線激光具有更為優(yōu)越的單色性、波長穩(wěn)定性和時間相干性。該原子X射線激光可以被應(yīng)用于高分辨光譜學(xué)和X射線非線性光學(xué)等領(lǐng)域內(nèi)。
實(shí)驗(yàn)裝置如下圖(a)中所示，由直線電子加速器相干光源(LCLS)輸出的X射線自由電子激光(XFEL)單光子能量為960eV。X射線脈沖被聚焦至壓強(qiáng)約為500torr的氖氣中，焦斑半徑為1～2μm。單脈沖能量為0.02～0.27mJ，而脈沖寬度為40～80fs，于是聚焦后的光場強(qiáng)度可以達(dá)到2×10^17Wcm^-2。
光柵光譜儀探測結(jié)果如圖(b)中所示，其中較寬偏暗的譜線為透過的X射線自由電子激光。而比較亮的細(xì)譜線則為部分氖離子的Kα輻射光，其單光子能量為849eV。其產(chǎn)生機(jī)理如圖(c)所示，由于K殼層電子的光電離，在兩能級間實(shí)現(xiàn)了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，從而使Kα受激輻射光放大成為可能。
上圖三次實(shí)驗(yàn)結(jié)果所用入射脈沖能量均約為0.25mJ，而入射單光子能量略有變化。透射的X射線自由電子激光與Kα受激輻射光的衰減因子分別為2.5×10^3和2。 由于受到光譜儀分辨率的限制，測得Kα輻射光譜的半高全寬約為2eV。Kα輻射主譜峰兩邊伴生的旁瓣很可能是由光譜儀光柵產(chǎn)生的鬼線。
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