к библиотеке   к оглавлению   FAQ по эфирной физике   ТОЭЭ   ТЭЦ   ТПОИ   ТИ  

РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА

Глоссарий по физике

А   Б   В   Г   Д   Е   Ж   З   И   К   Л   М   Н   О   П   Р   С   Т   У   Ф   Х   Ц   Ч   Ш   Э   Ю   Я  

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. скоростью2545-88.jpg в направлении распространения излучаемой волны. Благодаря Доплера эффекту частота излучения электронов в ЛСЭ во много раз превышает частоту колебаний электронов 2545-89.jpg:

2545-90.jpg

Здесь s=l, 2, . . .- номер гармоники, 2545-91.jpg - малый угол между направлением поступат. движения частиц и направлением излучения волны: 2545-92.jpg , где 2545-93.jpg2545-94.jpg - фактор Лоренца, - полная скорость частицы. Достоинство 2545-95.jpg ЛСЭ - возможность плавной широкодиапазонной перестройки частоты 2545-96.jpg генерации изменением 2545-97.jpg или 2545-98.jpg.

Наиб. коротковолновыми являются разновидности ЛСЭ, в к-рых колебат. движение электронам (накачка) сообщается пространственно-периодическим статич. полем ондулятора Ан= A0cos 22545-99.jpgz/d (убитрон; рис. 1, а; см. Ондуляторное излучение)либо полем мощной волны накачки Ан= А0cos(2545-100.jpgt-kHr) (т. н. комптоновский лазер, или скаттрон; рис. 1, б). Здесь Ан - вектор-потенциал поля накачки, d - период ондулятора, 2545-101.jpg - частота накачки, kн - волновой вектор, r - радиус-вектор. Частота колебаний частиц в этих случаях2545-102.jpg и 2545-103.jpg. Эти способы накачки близки по характеру воздействия на электроны, поскольку периодическое статич. поле воспринимается движущейся частицей как волна.

2545-104.jpg

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 2545-105.jpg 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 (2545-106.jpg) и поглотить (2545-107.jpg). 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. квантовые 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 (2545-108.jpg ), то вынужденное излучение и поглощение раздельно не наблюдаются, а преобладание излучения над поглощением имеет место для волны, частота к-рой 2545-109.jpg ближе к2545-110.jpg

В ЛСЭ электрон излучает в элементарном акте квант, энергия к-рого во много раз меньше исходной энергии частицы: 2545-111.jpg . Это позволяет каждому электрону в процессе взаимодействия с волной излучить много квантов (2545-112.jpg103-108). 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

2545-114.jpg

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

2545-113.jpg

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

2545-115.jpg

c - параметр связи электронов с волной, пропорциональный осцилляторной скорости частиц;2545-116.jpgS2545-117.jpg-параметр, характеризующий темп группировки частиц; 2545-118.jpg-частота точного синхронизма, 2545-119.jpg=2545-120.jpg -плазменная частота; п-невозмущённая плотность электронов в пучке (рис. 2). В безрезонаторпых ЛСЭ-усилителях

2545-121.jpg

Эффективность преобразования энергии электронного пучка в излучение (электронны и кпд) 2545-122.jpg ограничивается выходом теряющих энергию частиц из резонанса с усиливаемой волной. При постоянной частоте осцилляции и фазовой скорости волны

2545-123.jpg

где 2545-124.jpg - доплеровское преобразование частоты, 2545-125.jpg - 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: 2545-126.jpg. Поэтому при большом доплеровском преобразовании частоты, когда 2545-127.jpg , кпд ЛСЭ сравнительно невысок

2545-128.jpg

и пропорционален ширине полосы активного вещества (рис. 2). Высокий кпд 2545-129.jpg 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 2545-130.jpg, параметр группировки частиц 2546-1.jpg сколь угодно мал в соответствии с (4), высокий кпд достижим при2546-2.jpg= 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.

Литература по лазерам на свободных электронах

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

В. Л. Братман, Н. С. Гинзбург

к библиотеке   к оглавлению   FAQ по эфирной физике   ТОЭЭ   ТЭЦ   ТПОИ   ТИ  

Знаете ли Вы, что "гравитационное линзирование" якобы наблюдаемое вблизи далеких галактик (но не в масштабе звезд, где оно должно быть по формулам ОТО!), на самом деле является термическим линзированием, связанным с изменениями плотности эфира от нагрева мириадами звезд. Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.

Bourabai Research Institution home page

Боровское исследовательское учреждение - Bourabai Research Bourabai Research Institution