第八节　X射线激光光源

受激辐射式光频放大器（激光）可产生相干、共线、强度极高的单色光。在X射线至紫外线波长范围内的激光由于用途广泛，目前研究、发展迅速。

原子中处于基态的电子在吸收波长为λ的光子能量后，将跃迁到一能级较高的轨道。通常受激电子会立即自发地返回到基态，并辐射出波长相同的光子。但也会出现电子落入中间态（亚稳态）的情况，在此中间态，电子自发跃迁到基态的概率很小，从而使得这些电子陷落于此中间态中。波长为λ的激发辐射不断将电子提升到这种亚稳态，并将最终导致总体逆转，出现处于亚稳态的电子多于基态电子的现象。每个原子中仅有一个特定电子经受这种转换。

在一定条件下，处于亚稳态的电子会向基态跃迁，并辐射出能量，其对应的波长为λs（λs<λ）。这一转换可以由波长为λs的辐射受激产生。该辐射不能被吸收。当一个亚稳态原子恢复基态，其辐射能量将立即激发其他亚稳态原子衰变，产生波长为λs的强辐射。此即我们所想要得到的能量辐射——激光。

例如，将红宝石棒（含Cr的Al2O3材料）两端镀银，一端不透明，另一端透过率约90％，形成共振器，并与一螺旋电子闪光灯同轴安装。受闪光辐射的作用，Cr原子经受总体逆转，其辐射λs被两端反射，进一步激发跃迁，当所有Cr原子都回复到基态后，再次应用闪光辐射开始另一次激发，从而获得我们所需要的激光。

产生X射线激光的困难主要有两点：一是随着从亚稳态到基态能量间隔的增加，相应的状态寿命减少，从而很难保持其总体逆转性能；二是很难实现激光X射线的反射。

软X射线激光处于4～40nm范围，在光谱学领域的应用较少。但现阶段的技术已可以将用作原始激发源的激光脉冲能量的百分之几转换成非相干X射线，将可利用的光谱范围从软X射线扩展到硬X射线，应用于X射线衍射和吸收光谱。

利用超短脉冲激光和高次谐波发生器是发展实验室型相干X射线源的途径之一，目前可以达到2.3～4.4nm的波长范围。由激光等离子体也可以产生硬X射线，例如Si、Ti、Cu的特征X射线等。因此我们期待X射线激光能在不久的将来取得显著进展，以期在X射线光谱领域获得较大应用，较大程度地改善XRF的检出限和灵敏度。