16・1 X線レーザー研究の概観

本質では，原子の束縛準位間の反転分布に基づくX線レーザー¹⁾について紹介する．なお，17章で紹介される自由電子レーザーの原理に基づくX線レーザーは，本章では取り上げない．

X線には軟X線，硬X線がある．大まかにいって，それぞれの光子エネルギーは0.03~数keV，>数keV²⁾である．また，軟X線と重なっている数十~200 eVの光子を極端紫外線と呼ぶこともある³⁾．ここで紹介するX線レーザーの波長は現在のところ，軟X線領域に限られている．ただし，関与する遷移のエネルギーギャップが，数十eV~1 keVと大きいため， レーザー媒質として通常，高密度プラズマ中の多価イオンが用いられる．なお，波長λ[nm]と光子エネルギーhν[eV]の関係は，hν=1240/λで与えられる．代表的な反転分布生成機構として，レーザー照射時の加熱相で反転分布の生じる電子衝突励起，レーザー照射後のプラズマの冷却に伴って起こる3体再結合による再結合励起がある(本章の後節で詳しく紹介する．

反転分布の生じるのに適したプラズマを増幅(高出力化)に適した形状(一般には細長い線状)に生成するため，時間・空間的に高度に制御された高出力短パルスレーザー光を固体または気体に集光照射することになる．

図16・1に，レーザー媒質である高電離プラズマと，それを生成するための励起用レーザーを模式的に示す．X線レーザーの波長城でPは反転分布の寿命が短いこと，プラズマ媒質のデブリなどにより1ショッ卜ごとに反射鏡・半透鏡にダメージが生じること，全反射鏡反射率の制限，高い半透鏡製作コストなどのため共振器⁴⁾を用いることが困難である．その一方で単位体積当りの励起エネルギーが大きく，利得係数も5~100/cmときわめて大きいため，通常は図に示す自然放出光増幅の配置が用いられる．すなわち，増幅媒質内部で，ほぼ一様に生じる自然放出光のうち，図に示すように媒質の端で発生した自然放出光が反転分布により，指数関数的に増幅される．十分に増幅され反転分布の大半がレーザー光に変換されると増幅の飽和が生じる．この飽和増幅を達成することが， X線レーザーの大きな研究・開発目標となっている．