Эффекты модуляции пучка в лазерах на свободных электронах тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.16 ВАК РФ



„ / /

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ФИЗИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ им. П.Н.ЛЕБЕДЕВА

//

9г

На правах рукописи т|у^УДК 537.86; 621.373

УЧи

Серов Александр Васильевич

ЭФФЕКТЫ МОДУЛЯЦИИ ПУЧКА В ЛАЗЕРАХ НА СВОБОДНЫХ ЭЛЕКТРОНАХ

Диссертация на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Москва 1997

СОДЕРЖАНИЕ

Введение............................................................2

ГЛАВА 1. ПАРАМЕТРИЧЕСКИЙ ЛАЗЕР НА СВОБОДНЫХ

ЭЛЕКТРОНАХ

Введение .......................................................14

1.1 Взаимодействие сгустка частиц с электромагнитной волной

в лазере на свободных электрона...............................16

1.2 Экспериментальное исследование работы параметрического лазера на свободных электронах................................21

1.3 Численный расчет коэффициента усиления лазера, учитывающий модуляцию параметров электронного пучка

при его инжекции в лазер...................................... 32

1.4 Экспериментальное исследование работы лазера, использующего поворотный магнит вместо ондулятора........37

1.5 Экспериментальное исследование работы лазера, использующего открытый резонатор...........................41

Заключение ....................................................46

Литература ....................................................48

ГЛАВА 2. ИЗЛУЧЕНИЕ ЗАРЯДА ПРИ ЕГО ДВИЖЕНИИ ПО

КОНЕЧНОЙ ТРАЕКТОРИИ

Введение .......................................................50

2.1 Экспериментальное исследование низкочастотного излучения релятивистских частиц, движущихся по дуге окружности.....54

2.2 Расчет спектрально-угловых и поляризационных характеристик низкочастотного излучения релятивистских частиц, движущихся по дуге окружности............................................61

2.3 Об измерении переходного излучения на расстояниях от точки перехода сравнимых с длиной формирования...................71

Заключение ....................................................80

Литература ....................................................80

ГЛАВА 3. ВЛИЯНИЕ РАДИАЦИОННОГО ТРЕНИЯ НА РАБОТУ ЛАЗЕРА НА СВОБОДНЫХ ЭЛЕКТРОНАХ

Введение .......................................................82

3.1 Влияние радиационного трения на коэффициент усиления.........86

3.2 Влияние радиационного трения на фазовое пространство

пучка...........................................................92

3.3 Радиационное взаимодействие электронов в ондуляторе..............97

3.4 Радиационные силы в сгустке конечных размеров......................102

3.5 Влияние когерентных радиационных сил на фазовое движение частиц ........................................................106

Заключение ...................................................109

Литература ...................................................110

ГЛАВА 4. ДВИЖЕНИЕ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ ЧЕРЕЗ НЕОДНОРОДНУЮ ЭЛЕКТРОМАГНИТНУЮ ВОЛНУ

Введение ......................................................111

4.1 Пространственное распределение частиц, отражаемых электромагнитным лучом.....................................114

4.2 Численное исследование движения сгустка..................................119

4.3 Аналитическое описание движения сгустка.................................125

4.4 Пондеромоторная сила пропорциональная < ЕА >.......................131

Заключение ...................................................138

Литература ...................................................139

Заключение......................................................141

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время перспективы решения многих задач в различных областях физики и смежных наук тесно связаны с созданием новых источников электромагнитного излучения. Современные задачи предъявляют все более высокие и зачастую противоречивые требования к характеристикам источников: энергии фотонов, монохроматичности, диапазону перестойки, степени поляризации, интенсивности. В связи с этим не ослабевает интерес к разработке и созданию новых источников излучения.

Одним из таких источников является лазер на свободных электронах, конструкция которого отличается как от приборов классической электроники (убитронов, ЛБВ), так и от квантовых генераторов (лазеров). Излучающие электроны в традиционных лазерах связаны в атоме, молекуле или кристалличекой решетке. Именно эти связи определяют энергетические уровни, задающие частоту индуцированного излучения при квантовых переходах. В квантовых генераторах энергия связанных электронов имеет тот же порядок, что и энергия излучаемого кванта. Большая мощность излучения достигается за счет большого количества элементарных излучателей, работающих в фазе друг с другом. Плотность излучателей в лазере на свободных электронах гораздо меньше, чем в традиционном лазере, но полная энергия каждого из излучателей на много больше энергии одного кванта. Поэтому увеличение мощности излучения достигается за счет многократного, последовательного испускания квантов одним электроном.

Достоинствами ЛСЭ, открывающими большие возможности для их применения, являются широкий диапазон частот излучения, возможность непреывной перестойки частоты, высокие импульсные и средние мощности. В последние десятилетия, особенно после успешных экспериментов /1,2/, выполнено большое число исследований, направленных на выяснение физической природы процессов в лазере на свободных электронах, на использование новых принципов усиления. По мере проведения исследований результаты систематизируются в обзорных статьях и монографиях /3-5/. Созданы лазеры на которых ведутся не только работы по исследованию физики процесса генерации, но и большое число прикладных работ. Ежегодно проходят Международные конференции по физике лазеров на свободных электронах и Рабочие совещания по ис-пользовению лазеров. Труды конференций публикуются в специальных выпусках журнала Nuclear Instruments and Methods /6-9/.

При создании лазеров на свободных электронах релятивизм частиц имеет принципиальное значение, поскольку только в этом случае эффективно действует доплеровский сдвиг частоты, позволяющий генерировать излучение с длиной волны много меньше размеров излучающей системы. Условие релятивизма электронов значительно удорожает и усложняет устройство лазера, так как необходимо в качестве источника электронов использовать различные ускорители. Радиационный фон, создаваемый ускорителями, требует размещения лазера в специальном помещении. Поэтому разработка и создание лазера оправданы только в том случае, когда поставленная задача не может быть решена с помощью других источников излучения.

Сразу можно отметить, что лазеры на свободных электронах перспективны в тех спектральных областях, для которых нет или разработано очень мало источников излучения. Такими областями, например, являются области субмиллиметрового и ультрафиолетового диапазонов. В видимой области спектра лазеры на свободных электронах могут конкурировать с традиционными лазерами только в тех случаях, когда решающую роль играет возможность непрерывной перестройки частоты излучения.

Основными элементами типичной конструкции лазера на свободных электронах являются: ускоритель формирующий релятивистский электронный пучок, устройство испускающее при прохождении через него релятивистского пучка начальное "затравочное" излучение и резонатор для генерируемого излучения. Взаимодействие электронного потока с "затравочной" электромагнитной волной вызывает модуляцию параметров пучка и изменение пространственного распределения частиц, поскольку траектория движения отдельного электрона зависит от фазы поля в момент попадания электрона в волну. Изменение пространственного распределения частиц при выполнении определенных условий приводит к существенному росту поля волны. Поэтому модуляция параметров электронного пучка является необходимым условием увеличения мощности излучения.

Иногда под лазерами на свободных электронах понимают узкий класс источников индуцированного когерентного излучения использующих ондуляторы. Это, по-видимому, объясняется тем, что именно ондулятор-ное излучение является наиболее подходящим "затравочным" излучением для систем генерирующих индуцированное излучение. Из теории лазеров на свободных электронах следует, что эффективность преобразования энергии электронов в электромагнитное излучение определяется спектрально-угловыми характеристиками "затравочного" излучения.

Так коэффициент усиления излучения с данной длиной волны пропорционален производной по частоте от интенсивности спонтанного излучения, т.е. крутизне спектра спонтанного излучения на усиливаемой длине волны. Поэтому для получения эффекта индуцированного излучения малопригодны такие радиационные процессы, как тормозное и переходное излучения, обладающие почти сплошным спектром. А ондуляторное излучение является хорошим " затравочным" излучением для лазера на свободных электронах, поскольку имеет линейчатый спектр, спектральная яркость которого выше, чем у многих других видов излучения. Ондуляторное движение может формироваться винтовым и линейно поляризованным магнитным полем, электростатическим устройством, содержащим последовательность электродов переменной полярности, электромагнитной волной большой интенсивности. Однако физика процесса и большая часть выводов полученных для лазера на ондуляторе справедлива и для других модификаций лазера использующих излучение Вавилова-Черенкова, эффект Смита-Парселла, переходное излучение и др.

В некоторых случаях спектрально-угловое распределение спонтанного излучения в интересующем диапазоне длин волн определяется не только типом радиационного процесса, но и в значительной мере степенью мо-дулированности параметров пучка. Это происходит при использовании электронных сгустков с геометрическими размерами или периодом модуляции соизмеримыми с длиной волны генерируемого излучения. Мо-дулированность пучков позволяет создать новую разновидность лазера на свободных электронах - так называемый параметрический лазер на свободных электронах. В этих лазерах, на начальном этапе развития генерации, увеличение мощности излучения происходит за счет синхронизации цугов излучения испущенных различными сгустками, а не только за счет изменения пространственного распределения частиц.

На практике в зависимости от конструкции лазера существенный вклад в формирование "затравочного" волнового поля могут вносить одновременно несколько видов излучения. При этом указать точно вклад каждого из видов в суммарное излучение не представляется возможным. Излучение свойства которого заметно отличаются от свойств порождающих его излучений можно назвать "гибридным". При определенных условиях "гибридное" излучение может обладать более подходящими характеристиками для использования его в лазере в качестве " затравочного", чем порождающие излучения. Поэтому исследование свойств таких излучений имеет не только теоретический, но и практический интерес.

В настоящее время одним из основных направлений развития физики

и техники лазеров является продвижение в область ультрафиолетового и мягкого рентгеновского излучения. В лазерах на свободных электронах для этого необходимы пучки с энергией электронов в сотни и тысячи мегаэлектронвольт. Повышение энергии электронов увеличивает мощность спонтанного излучения частиц и, следовательно, влияние реакции излучения на взаимодействие частиц с волной. Естественно, что учет влияния реакции излучения на эффективность взаимодействия частиц с волной особенно необходим в тех случаях, когда действие радиационных сил соизмеримо с действием цоля внешней волны. Это имеет место, например, на начальном этапе развития генерации в ЛСЭ, когда поле волны в резонаторе имеет малую напряженность.

Сложность и специфические условия эксплуатации лазера на свободных электронах ультрафиолетового диапазона стимулируют разработку других методов генерации коротковолнового излучения, позволяющих сохранить преимущества взаимодействия свободных электронов с волной, и в то же время понизить энергию используемых электронов. Одним из таких методов является метод генерации излучения при нелинейном рассеянии свободных электронов на интенсивной электромагнитной волне. Для реализации этого метода необходимы электронные пучки с существенно меньшей энергией, однако требуется высокая мощность источника внешнего электромагнитного излучения.

Диссертация посвящена исследованию эффектов модуляции электронных потоков в лазерах на свободных электронах и влияния модуляции на генерацию индуцированного излучения. Диссертация состоит из четырех глав и заключения.

В первой главе приведены результаты экспериментальных /10-14/ и теоретических /15/ исследований работы параметрического лазера на свободных электронах - лазера использующего электронные сгустки размер которых соизмерим с длиной волны генерируемого излучения. Созданы и экспериментально исследованы три модификации

параметрического лазера на свободных электронах. В первом лазере начальное "затравочное" излучение испускалось пучком проходящим через ондулятор, а в качестве резонатора использовался закрытый цилиндрический резонатор /10-12/. Во втором лазере использовался поворотный магнит вместо ондулятора /13/, в третьем - открытый резонатор вместо закрытого цилиндрического резонатора /14/.

Теоретически исследована и экспериментально подтверждена возможность использования неоднородности поля электромагнитной волны в поперечном направлении для увеличения коэффициента усиления лазе-

ра. Для реализации этой возможности необходимо, чтобы пучок перед попаданием в ондулятор или поворотный магнит был модулирован на частоте усиливаемой волны по поперечным координатам. Кроме того, нужно так организовать траекторию пучка, чтобы частицы отдающие энергию волне взаимодействовали с более сильными полями ( в нашем случае двигались ближе к оси резонатора ), чем частицы ускоряемые волной. Модуляция пучка происходит автоматически при инжекции частиц в резонатор, а формирование необходимой траектории обеспечивалось подбором угла инжекции и расстояния между точкой входа частицы в резонатор и ондулятором ( или поворотным магнитом). Результаты численных расчетов /16/ и экспериментов /13/, выполненных на втором лазере, качественно совпадают.

Во второй главе обсуждаются экспериментальные и теоретические исследования "гибридного" излучения, возникающего при движении в постоянном магнитном поле релятивистской частицы вылетевшей из поверхности металла /17-20/. Эксперименты выявили некоторые новые закономерности в спектрально-угловом распределении излучения, вызванные сильной интерференцией порождающих излучений - переходного излучения, испускаемого при вылете электрона из металла, и син-хротронного излучения, испускаемого частицей движущейся в поле поворотного магнита /17-19/. Получены аналитические выражения /20/ описывающие распределение излучения хорошо согласующиеся с результатами экспериментов. Исследовано спектрально-угловое распределение поля возбуждаемого релятивистской частицей, вылетевшей из металла и движущейся в последующем прямолинейно, в точке расположенной на расстоянии сравнимом с длиной формирования от поверхности металла и от траектории частицы /21/.

В третьей главе рассмотрено влияние радиационного взаимодействия частиц и реакции излучения на динамику частиц в ЛСЭ и фазовое пространство пучка /22/. Исследовано пространственное распределение радиационных сил, возникающих при движении через ондулятор одиночного сгустка, и зависимость распределения сил от геометрических размеров сгустка /23/. Рассматривались силы действующие на частицы цуга из трех сгустков, расположенных на расстоянии друг от друга равном длине волны ондуляторного излучения /24/. Показано, что продольные радиационные силы ускоряют головные и хвостовые частицы сгустка и тормозят частицы в середине сгустка. Поперечные силы фокусируют частицы задней половины сгустка и дефокусируют в передней половине сгустка. Исследования показали, что радиационные силы вызывают

параметрический резонанс фазовых колебаний и увеличивают фазовую протяженность сгустка /25/. Кроме того, смещается фаза, относительно которой происходят колебания частиц.

В четвертой главе представлены результаты исследования динамики частиц электронного потока, пересекающего неоднородную электромагнитную волну /26-32/. Несмотря на то, что движение частиц в неоднородной волне исследовалось достаточно подробно, сам метод исследования этого движения (метод усреднения) не позволял рассчитать некоторые характеристики системы зарядов. Поскольку в этом методе происходит усреднение уравнений движения по периоду осцилляторного движения, результаты не зависят от фазы инжекции частицы и поэтому не описывают относительного перемещения частиц сгустка и изменение во времени пространственного распределения частиц. Проведенные исследования привели к выявлению новых эффектов в динамике частиц, связанных с неоднородностью поля волны. Обнаружена нестационарная пространственная модуляция плотности электронного потока падающего на неоднородную