X射線激光器

用於X射線激光器的泵浦源主要是高功率激光器。線聚焦強激光打到靶上，沿着焦線方向形成高温等離子體柱。在一定條件下，等離子體柱中特定離子的某兩個能級(激光發射的上下能級)可形成粒子數反轉，所發射的X射線在沿着等離子體柱傳播過程中被放大形成X射線激光。

X射線激光器和普通激光器類似，可由驅動源、工作物質和諧振腔三部分組成。驅動源是高功率激光器、高壓放電裝置甚至核裝置等能向工作物質饋送能量的激勵裝置，普遍採用的是高功率激光器。工作物質是驅動源產生的等離子體，所以這種激光也稱為等離子體X射線激光。軟X射線激光的光腔由多層膜X射線反射鏡、多層膜輸出耦合(分光)鏡和工作物質組成。由於X射線波長很短，工作物質是高温高密度的等離子體，在這種環境條件下光學器件很容易被破壞，加之在等離子體中維持增益係數足夠大的時間(壽命)短，因此多程放大的機會小，通常採用單程放大(放大的自發輻射)。 ^[2] 

生物活細胞的激光成像是X射線激光的重要應用領域.它不需要像應用電子顯微鏡那樣的樣品製備過程，也不受樣品活動的影響，並且在樣品受到損傷之前就可完成成像過程。因此，採用波長在水窗附近(～ 4.4nm)的X射線激光作光源的X射線顯微鏡就可獲得活細胞組織的圖像，採用X射線激光全息術還可得到三維全息圖，這對生物學、醫學和生命科學的研究都具有重要意義。這項技術正被用於研究DNA在精子細胞內的排列。

X射線激光作激光探針用來診斷激光產生的高温等離子體內部，特別是臨界面附近的密度分佈將是X射線激光另一重要應用。這將為激光與物質相互作用的研究，特別是慣性約束聚變靶物理研究提供有效的診斷手段。

此外，材料科學、微電子學、化學、原子物理學以及精密加工等也都是X射線激光有希望的應用領域。受到X射線激光器發展水平的限制，其應用的研究剛剛開始.隨着X射線激光器性能的改進和費用的降低，特別是小型台式X射線激光器研製的成功，X射線激光必將在科學技術發展中發揮越來越大的作用。

2022年，德國、法國研究團隊利用直線加速器相干光源（LCLS）X射線激光器進行了實驗，用它來分析當強烈的激光擊中PET薄膜時會發生什麼，是否產生了納米鑽石以及鑽石生長的速度和大小 ^[3]  。

2023年，斯坦福國家加速器實驗室的Linac相干光源Ⅱ（LCLS-Ⅱ）X射線激光器發出了第一束亮度破紀錄的X射線，使研究人員能記錄光合作用等生化反應中原子和分子的行為。 ^[4] 

美國加利福尼亞州實驗室發明了世界最大功率的X射線激光器，激光器所產生的電能超過一個小國家全國的全部電能。激光器的X射線可聚焦在人類頭髮的1/30的一個點上；還可短時間將一片金屬箔加熱至200萬攝氏度，使它成為地球上温度最高的物質，這種温度和壓力僅存於恆星內部。

英國牛津大學科學家與美國加利福尼亞州實驗室研究人員共同參與“直線加速器相干光源”實驗(LCLS)，並開發了世界上功率最大的X射線激光器。牛津大學物理系博士山姆·温科表示：“製成高温密集的物質是相當重要，它有助我們瞭解存在於恆星內部以及太陽系內外的巨大行星中心的排序條件。‘直線加速器相干光源’X射線激光器確實是一部了不起的機器，它幫助我們製成和觀察某些熱等離子(帶電氣體)，熱等離子用於多種領域如物質科技和生物研究領域。”