laseres de rayos - x fisica de laseres l a s e r e s d e r a y o s – x prof. dr. carlos g....

LASERES DE RAYOS - X

FISICA DE LASERES

L A S E R E S D E R A Y O S – X

PROF. DR. CARLOS G. TREVIÑO PALACIOS

ROBERTO TÉLLEZ GARCÍAABRIL DEL 2002


CONTENIDO

INTRODUCCION

DESCRIPCION GENERAL

MECANISMOS DE EXCITACIÓN

ESTRUCTURA DEL LASER DE RAYOS-X

PARAMETROS TIPICOS

APLICACIONES

CONCLUSIONES



INTRODUCCION


Rayos – X : 10nm 0.01nm (0.1 A)

Espectro electromagnético


INTRODUCCION (cont.)

Rayos – X “suaves” : 30nm 10 nm

Regiones ópticas del espectro electromagnético, con tipos de láseres localizados aproximadamente en sus longitudes de onda de operación.



INTRODUCCION (cont.)


Rangos de longitudes de onda y energía del fotón establecidos para láseres de rayos-x.


DESCRIPCION GENERAL

En general, los láseres funcionan basados en transiciones electrónicas


Un electrón cayendo dentro de una órbita interna

(más cerca del núcleo) de Selenio emite un fotón de

rayos-x

La radiación electromagnética emitida y absorbida por estas transicionesse han denominado Rayos - X


DESCRIPCION GENERAL (cont.)

30nm 0.01nmR-X

Muchos materiales tienen n 1

Ninguno de estos puede reflejar o refractar la luz adecuadamente

Espejos para Rayos - X



MECANISMO DE EXCITACIÓN

Proceso de bombeo óptico.

Las inversiones de población son producidas en plasmas generados porláseres a muy altas temperaturas, utilizando láseres de bombeo de alta potencia


LASERES DE RAYOS - XLASERES DE RAYOS - X

MECANISMO DE EXCITACIÓN (cont.)

Requerimientos mínimos de bombeo vs longitud de onda

para producir láseres de cortas longitudes.

L – Longitud del amplificadorT – Temperatura promedioM – Masa promedio

= 10nm LASER = 1% PB ~ 1017 W/m3


ESTRUCTURA DEL LASER

Configuración para generar láseres de Rayos - X

Produce un enfocamiento lineal de un láser potente (Nd - Glass)sobre una superficie sólida de emisión

Arreglo experimental de

un láser de rayos-x “suave” bombeado por el

láser Novette.


ESTRUCTURA DEL LASER (cont.)

Dispositivo de descarga de plasma

Láser bombeado por descarga.



Láser de Rayos – X excitado por Emisiones Nucleares

Objetivo: Concentrar la energía producida por una explosión nuclear y dirigir ésta a grandes distancias, en lugar de permitir su propagación fuera del espacio.

Centro de Investigación: Laboratorio Nacional Lawrence Livermore

Mecanismo: La intensa emisión de Rayos – X de la explosión nuclear excita el medio láser generando intensos pulsos de estetipo de rayos.

Resultados: Negativos. Proyecto cancelado.



Láser de Rayos – X excitado por Láser

Mecanismo: • Cargar una hoja de metal (Se) con un pulso corto (1ns) de alta energía obtenido de un láser de Nd – Glass.

• Sólo un pulso de alta energía tanto para ionizar el material láser como para excitar los iones que emiten los rayos-x.

• La intensa luz láser desplaza electrones de átomos en un segmento lineal de la hoja metálica, produciendo un plasma.

• Conforme los electrones se recombinan con los átomos, aquellos emiten un de pulso rayos – x coherente

= 3.5nm

1) Centro de Investigación: Laboratorio Nacional Lawrence Livermore



Mecanismo: • Utilizaron dos pulsos de relativamente baja energía: - el 1° para ionizar los átomos y formar un plasma - el 2° para excitar los iones y producir los rayos – x

• = 20.6nm

2) Centro de Investigación: Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT)


Mecanismo: • Confinar plasmas generados por láseres mediante campos magnéticos (para reducir la potencia láser de bombeo requerida)

• = 18nm

3) Centro de Investigación: Universidad de Princeton



PARAMETROS TÍPICOS

Longitudes de onda 3.56 nm – 46.9 nm

Indice de refracción del medio de ganancia

~ 1.0

Método de bombeo Plasma producido mediante láser ó plasma de descarga rápida.

Modo de operación Pulsada

Duración del pulso de salida 500 ps – 10 ns

Salida energía / pulso 10 nJ – 1 mJ

Potencia pico máxima de salida 1 MW – 2 MW


APLICACIONES

Estudios físico-atómicos

Holografía de rayos – x

Cristalografía

Radiología médica

Microscopia de rayos – x

Diagnostico mediante plasma

Radiación química

Estudios metalúrgicos

Fotolitografía


CONCLUSIONES

•Las investigaciones sobre láseres de rayos–x avanzan con una tendencia hacia longitudes de onda cada vez más pequeñas.

•Parte de los resultados obtenidos, se considera información secreta o clasificada, ya que ha surgido de experimentos nucleares.

•Debido a que para las longitudes de onda de los rayos–x, los medios materiales tienen índices de refracción próximos a la unidad, ninguno de éstos puede reflejar o refractar la luz adecuadamente, originando con esto diversos problemas en la óptica de rayos–x.

•Este tipo de láseres es de muy amplia aplicación en diversas áreas tales como la investigación básica, la medicina, la química, la industria, entre otras.

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