Приглашаем посетить сайт
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= A0cos2z/d (убитрон; рис. 1, а; см. Ондуляторное излучение )либо полем мощной волны накачки А н= А0cos(t-kHr) (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.