лазеры на свободных электронах

ЛАЗЕРЫ НА СВОБОДНЫХ ЭЛЕКТРОНАХ (ЛСЭ) - генераторы эл--магн. колебаний, в к-рых активной средой является поток электронов, колеблющихся под действием внеш. электрич. и (или) магн. поля и перемещающихся с релятивистской постулат. скоростью в направлении распространения излучаемой волны. Благодаря Доплера эффекту частота излучения электронов в ЛСЭ во много раз превышает частоту колебаний электронов :

Здесь s=l, 2, . . .- номер гармоники, - малый угол между направлением поступат. движения частиц и направлением излучения волны: , где - фактор Лоренца, - полная скорость частицы. Достоинство ЛСЭ - возможность плавной широкодиапазонной перестройки частоты генерации изменением или .

Наиб. коротковолновыми являются разновидности ЛСЭ, в к-рых колебат. движение электронам (накачка) сообщается пространственно-периодическим статич. полем ондулятора А_н= A₀cos 2z/d (убитрон; рис. 1, а; см. Ондуляторное излучение)либо полем мощной волны накачки А_н= А₀cos(t-k_Hr) (т. н. комптоновский лазер, или скаттрон; рис. 1, б). Здесь А_н - вектор-потенциал поля накачки, d - период ондулятора, - частота накачки, k_н - волновой вектор, r - радиус-вектор. Частота колебаний частиц в этих случаях и . Эти способы накачки близки по характеру воздействия на электроны, поскольку периодическое статич. поле воспринимается движущейся частицей как волна.

Рис. 1. Системы накачки колебательной энергии частиц в основных разновидностях ЛСЭ: а - в убитроне, б - в скаттроне, в - в мазере на циклотронном резонансе, г - в строфотроне, д и е - во флиматронах.

Др. типы ЛСЭ основаны на вынужденном тормозном излучении электронов: а) вращающихся в однородном магн. поле Н₀ с циклотронной частотой (мазер на циклотронном резонансе; рис. 1, в); б) колеблющихся в поперечно-неоднородном элсктростатич. поле U (х)(строфотрон; рис. 1, г). Кроме того, ЛСЭ могут быть основаны на черенковском излучении и переходном излучении частиц, движущихся равномерно и прямолинейно в пространственно-периодич. структурах (флиматроны; рис. 1, д, е). При этом колеблются не электроны исходного пучка, а их зеркальные изображения в структурах (пунктир на рис. 1, д). Суммарный диапазон, охватываемый перечисленными разновидностями ЛСЭ, простирается от СВЧ- до УФ-диапазона.

При квантовом описании возможность преобладания в ЛСЭ вынужденного излучения над поглощением объясняется небольшим различием частот волн, к-рые электрон способен излучить () и поглотить (). Это различие обусловлено отдачей, испытываемой электроном при излучении или поглощении кванта, а в ряде случаев также отклонением от эквидистантности спектра колебат. уровней электрона (напр., уровней электрона в однородном магн. поле, см. Ландау уровни ).Т. к. в реальных условиях уширение спектральных линий, обусловленное конечностью времени пребывания в пространстве взаимодействия с волной (естеств. ширина линии), существенно больше разности частот ( ), то вынужденное излучение и поглощение раздельно не наблюдаются, а преобладание излучения над поглощением имеет место для волны, частота к-рой ближе к

В ЛСЭ электрон излучает в элементарном акте квант, энергия к-рого во много раз меньше исходной энергии частицы: . Это позволяет каждому электрону в процессе взаимодействия с волной излучить много квантов (10³-10⁸). Поэтому движение и излучение частиц могут быть описаны ур-ниями клас-сич. электродинамики, а сами ЛСЭ являются по существу классич. приборами, родственными лампе бегущей волны, клистрону и др. электронным СВЧ-генераторам. Вынужденному излучению в ЛСЭ при классич. описании отвечает самосогласованный процесс, включающий в себя группирование электронов в сгустки под действием затравочной (сигнальной) волны

и последующее усиление этой волны в результате когерентного излучения образовавшихся электронных сгустков.

Рис. 2. Зависимость от частоты коэффициента усиления G волны в ЛСЭ-генераторе.

В ЛСЭ-генераторах с высокодобротными резонаторами коэф. усиления G волны за один проход волны через резонатор (в режиме малого сигнала) определяется выражением

c - параметр связи электронов с волной, пропорциональный осцилляторной скорости частиц;S-параметр, характеризующий темп группировки частиц; -частота точного синхронизма, = -плазменная частота; п-невозмущённая плотность электронов в пучке (рис. 2). В безрезонаторпых ЛСЭ-усилителях

Эффективность преобразования энергии электронного пучка в излучение (электронны и кпд) ограничивается выходом теряющих энергию частиц из резонанса с усиливаемой волной. При постоянной частоте осцилляции и фазовой скорости волны

где - доплеровское преобразование частоты, - число колебаний частиц в пространстве взаимодействия. Для ЛСЭ, основанных на ондуляторном, черенковском, переходном излучениях частиц, а также на рассеянии волны накачки, параметр группировки частиц относительно велик: . Поэтому при большом доплеровском преобразовании частоты, когда , кпд ЛСЭ сравнительно невысок

и пропорционален ширине полосы активного вещества (рис. 2). Высокий кпд в таких разновидностях ЛСЭ достигается при переменной фазовой скорости синхронной волны в режиме захвата электронов пучка полем волны и последующего их адиабатич. торможения. Для ЛСЭ, основанных на индуцированном циклотронном излучении, вблизи резонансa, когда фазовая скорость волны , параметр группировки частиц сколь угодно мал в соответствии с (4), высокий кпд достижим при= const в постоянном магн. поле.

На возможность получения коротких волн путём доплеровского преобразования частоты излучения предварительно сформированных из сгустков колеблющихся частиц впервые указали В. Л. Гинзбург и Г. Моц (Н. Motz) (кон. 40-х - нач. 50-х гг.). Однако предложение о получении таким способом вынужденного излучения было сформулировано позднее, уже после развития теории вынужденного излучения в системах классич. электронных осцилляторов и реализации основанных на этом принципе слаборелятивистских электронных мазеров. Впервые ЛСЭ в ИК-диапазоне реализованы в США Дж. Мейди (J. Madey) с сотрудниками на базе Станфордского линейного ускорителя электронов в 1976-77.

Лит.: Релятивистская высокочастотная электроника, Горький, 1979; Генераторы когерентного излучения на свободных электронах. Сб. ст., пер. с англ., М., 1983; Маршалл Т., Лазеры на свободных электронах, пер. с англ., М., 1987.

В. Л. Братман, Н. С. Гинзбург.

   <<      Предметный указатель      >>