Генерация узких спектральных линий в оптическом клистроне на байпассе ВЭПП-3 тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.01 ВАК РФ

н

РГ6

Ин

тут ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН

На правах рукописи

Попик Василий Михайлович

ГЕНЕРАЦИЯ УЗКИХ СПЕКТРАЛЬНЫХ ЛИНИЙ В ОПТИЧЕСКОМ КЛИСТРОНЕ НА БАЙПАССЕ ВЭПП-3

01.04.01 - техника физического эксперимента, физика приборов, автоматизация физических исследовании

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

НОВОСИБИРСК—1997

Работа выполнена в Институте ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН.

НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ:

Винокуров — доктор физ.-мат. наук,

Николай Александро- Институт ядерной физики

вич им. Г.И. Будкера СО РАН,

г. Новосибирск.

ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ:

Аржанников — доктор физ.-мат. наук,

Андрей Васильевич Институт ядерной физики

им. Г.И. Будкера СО РАН, г. Новосибирск.

Барышников — кандидат физ.-мат. наук,

Федор Федорович Государственное предприятие, Особое

конструкторское бюро "Гранат", г. Москва.

ВЕДУЩАЯ — НИИ Ядерной физики Томского

ОРГАНИЗАЦИЯ: политехнического университета,

г. Томск.

Защита диссертации состоится « Во » <гкс1 Ь р е. 1997 г.

в " /0 " часов на заседании диссертационного совета Д.002.24.02 в Институте ядерной физики им. Г.И.Будкера СО РАН.

Адрес: 630090, г. Новосибирск-90,

проспект академика Лаврентьева, 11.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИЯФ им. Г.И. Будкера СО РАН.

Автореферат разослан " 2.2 " Я оЬрх_ 1997 г.

Ученый секретарь диссертационного совета академик

Б.В. Чириков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В лазерной технике сужение линии генерации является традиционным этапом в улучшении характеристик лазеров, что расширяет область их применения в науке, технике и медицине. Естественная ширина линии генерации в лазерах на свободных электронах (ЛСЭ) определяется шириной линии усиления, которая ограничена качеством электронных пучков, получаемых в современных ускорителях. На байпассе ВЭПП-3, как и на других накопителях, реализована модификации ЛСЭ - оптический клистрон (ОК). В ОК ширина линии ограничена энергетическим разбросом электронов в пучке, и составляет величину порядка ДД/А и Ю-3 -г Ю-4. Так как оптический клистрон иа байпассе ВЭПП-3 работает в режиме синхронизации мод и коэффициент усиления в красной области спектра равен 10%, то в качестве селективного элемента в экспериментах по сужению линии генерации была выбрана плоско параллельная кварцевая пластинка, установлена внутри оптического резонатора нормально к его оси.

Как и для традиционных лазеров с однородно уширенной линией усиления в ЛСЭ в экспериментах по сужению линии генерации растет спектральная плотность излучения.

Оптический клистрон на байпассе ВЭПП-3 из-за пульсаций усиления работает в режиме "пичковой"генерации. Использование внутрирезона-торной плоскопараллельной пластинки позволяет стабилизировать генерацию в ОК.

В диссертации описана модификация оптического резонатора для экспериментов; полученные результаты и их сравнение с теоретическими расчетами сужения линии генерации в красной области оптического спектра.

Цель работы. Целью настоящей работы является:

- модернизация оптического резонатора на байпассе для удобства про ведения экспериментов по сужению линии генерации (разделение резонатора на вакуумную и невакуумную часть с помощью кварцевого окна, установленного под углом Брюстера);

- оценка вносимых потерь пластинкой, связанных с неидеальностыс ее изготовления и, на основе этих оценок, выбраковка пластинок после измерения ее параметров;

- разработка метода для определения полных потерь в резонатор« при наличии в нем пластинки;

- теоретическое исследования ширины линии генерации с и без пластинки в ЛСЭ и ОК в стационарном режиме и режиме гигантски} импульсов;

- теоретическое исследования при наличии в резонаторе пластинки продольного распределения излучения; уменьшения коэффициенте усиления, и минимально возможной ширины линии генерации;

- создание системы диагностики и измерение ширины линии генерации.

Научная новизна. Проведен эксперимент по сужению линии генерации в оптическом клистроне. Получена минимальная ширина линии Л = 0.017.Л, которая является рекордной в мире и более чем в 30 раз уже, чем в экспериментах без пластинки.

Приведены оценки вносимых пластинкой потерь в оптический резонатор, связанные с неидеальностью ее изготовления и разработан метод и> измерения, основанный на измерении добротности резонатора по времени затухания свободных колебаний в нем.

Теоретически исследовано продольное распределение излучения в опт! ческом резонаторе при наличии в нем плоскопараллельной пластинки I! получены простые модельные решения (т.н. супермоды). При малом коэффициенте усиления существует лишь одна супермода. Исходя из уменьшения коэффициента усиления в ОК, связанного со "сносом" излучения пластинкой, получена оценка максимальной толщины пластинки и, соответственно, минимальной ширины линии генерации.

Практическая значимость результатов. Проведенный эксперимент пр демонстрировал возможность получения узкого спектра излучения ЛСЭ. что позволяет повысить конкурентоспособность ЛСЭ по сравнению с традиционными лазерами и расширить круг возможных его применений. В

частности, разработанная методика сужения линии может быть полезна для фотохимических применений ЛСЭ и разделения изотопов.

Разработанный метод измерения полных потерь в оптическом резонаторе при наличии пластинки может быть применен в экспериментах с другими внутрирезонаторными селективными элементами как и в ЛСЭ так и в традиционной лазерной технике.

Разработанные методы измерения спектральных линий с шириной около ДА/А « Ю-6, аппаратура и программное обеспечение могут быть использованы в других экспериментах.

Автор выносит на защиту следующие результаты проделанной работы:

1. Предложено использовать плоскопараллельную прозрачную пластинку в качестве внутрирезонаторного частотно-селективного элемента для ЛСЭ.

2. Получены оценки ширины линии генерации в ЛСЭ с внутркрезона-торной плоскояараллельной пластинкой и пределов применимость этого метода сужения линии.

3. Предложена простая, точно решаемая, модель для нахождения продольных супермод в ЛСЭ.

4. Создан оптический резонатор для экспериментов по сужению линии ЛСЭ и аппаратура для измерения ширины линии.

5. Продемонстрировано сужение линии ЛСЭ более чем в 30 раз, и достигнута ширина линии 2 • 10~2А в видимом диапазоне.

Структура работы. Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения. Текст иллюстрирован 11 рисунками, список литературы включает 75 наименований.

Апробация диссертационной работы. Основные результаты, вошедшие в диссертацию, докладывались на Девятой национальной конференции по использованию синхротронного излучения (СИ-90, Москва, 1990г.); на Двенадцатой международной конференции по лазерам на свободных электронах (Париж, 1990г.); на Пятнадцатой международной конференции по лазерам на свободных электронах - два доклада (Гаага, 1994г.); а также на семинарах в ИЯФ им. Г. И. Будкера СО РАН.

Публикации. По теме диссертации опубликовано пятнадцать работ.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во введении обоснована актуальность темы; определены основные вопросы, которые решаются в диссертации; кратко, по главам, изложено содержание диссертации.

В первой главе перечислены основные методы сужения и стабилизации линии генерации в традиционных лазерах при использовании различных внутрирезонаторных селективных элементов и перечислены параметры, которые определяют эффективность селекции.

Рассмотрена плоскопараллельная пластинка как простейший селективный элемент в экспериментах по сужению линии генерации. Селективность идеальной пластинки связана с зависимостью интенсивность прошедшего через нее света от длины волны: / = /0(1—2Л(1—со82ж/\В)), И - оптическая длина пластинки, Я = ((1 — п)/(1 + п))2, п - показатель преломления, Л - длина волны. Глубина модуляции интенсивности прошедшего через пластинку света составляет 16%. Идеальная пластинка полностью прозрачна для длин волн А = £>/т, где тп - целое.

Пластинка вносит дополнительный вклад в потери оптического резонатора, связанный с неидеальностью ее изготовления и разъюстировкой. В случае оптического резонатора на байпасее ВЭПП-3 основные дополнительные потери связаны с клиновидностью пластинки. Например, кли-новидность в одну угловую секунду увеличивает потери на 0,5%. Критичность юстировки пластинки составляет несколько угловых минут.

Во второй главе теоретически рассмотрены эффекты, влияющие на

ширину линии излучения оптического клистрона. Спектр спонтанного излучения пучка релятивистских электронов представляет собой результат интерференции двух цугов излучения из ондуляторов, с временной задержкой

Д/с (с - скорость света):

2 л"

1ок = 2/ц(1 + /со8(уД + я)).

где - спектральная интенсивность излучения из одного ондулятора. Величины / = Я/; < 1 - глубина изрезанности тонкой структуры и ^ = - сдвиг фазы тонкой структуры зависят от энергетического

распределения и поперечных эмитансов пучка. Показано, что основной вклад в уменьшение глубины изрезанности в оптическом клистроне на

б

байпассе связан с энергетическим разбросом (рис. 2):

Так как коэффициент усиления оптического клистрона по теореме Мейди пропорционален производной (по частоте ы = ^р) спектра спонтанного излучения, то энергетический разброс вносит основной вклад в уменьшение усиления.

Вблизи максимума коэффициент усиления можно представить в виде:

п-п (1 1 ( т

сг® - характеризует временной профиль электронного пучка, а стдг равна

0.3^ для ЛСЭ (N - число периодов ондулятора), ^(Ñ+Nl) для ~ число длин волн, на которое электрон отстает от световой волны в груп-пирователе) и ~ при наличии в резонаторе плоскопараллельной пластинки. Частотная зависимость пропускания пластинки в последнем выражении включена в усиление для единообразия рассмотрения.

Спектральная плотность излучения изменяется по закону:

/(ш,г) = 7лехр|(<;(и;,г)-7)п}, ,

1, - спектральная плотность синхротронного излучения, 7 - потери в резопаторе, не зависящие от частоты и n — fot - номер прохода (/о -частота обращения электронного сгустка в накопителе). При каждом последующем проходе уменьшается длительность сгт светового густа и сужается спектральная ширина <ты линии генерации. Существуют два предела: crwcrT sí 1/2 - режим стационарной генерации и (Тш<гт 1/2 - режим генерации гигантских импульсов. Исходя из этих условий в диссертации получены оценки для относительной спектральной ширины линии генерации в стационарном режиме:

_ I с N~

и0 V 2сг®ш0

и в режиме генерации гигантских импульсов:

^ /ТГЖ

U1Q у \ до/

Так как Л^ ^ N, и по условиям эксперимента + Дь) ~ то ширина линии генерации в оптическом клистроне много меньше чем в лазере на свободных электронах и много больше чем в. экспериментах с пластинкой.

Оптический клистрон работает в режиме синхронизации мод, когда длина электронного и светового пучков много меньше длины оптического резонатора и усиление пропорционально пиковому току электронного пучка. Внутрирезонаторная пластинка уменьшает коэффициент усиления из-за "сноса" накопленного в резонаторе излучения. Аппроксимируем продольную зависимость коэффициента усиления вблизи максимума выражением: д(г) = до/ск2(аг). В этом случае задача об эволюции волнового пакета имеет точное решение в виде супермод (поперечное распределение остается таким же, как в резонаторе без пластинки).

Скорость нарастания максимальна для основной моды:

«(г) = (садГех р(-(1_^)£) « = ^ч/ГТ

При малых коэффициентах усиления, когда « < 1, существует только одна основная мода. Снижение инкремента нарастания для основной моды можно описать с помощью эффективного уменьшения усиления:

д =до -аВ^2да/Л.

Предполагая уменьшение коэффициента усиления в два раза, получим максимальную толщину пластинки с1тах и минимальную относительную ширину линии генерации для заданного коэффициента усиления:

, _ Апа* _ С<Т% П - 1

"шах — —¡Г- — --ГТ\9 0>

2п Ап п + 1

сш _ Л п + 1 а>о 2жсс% п — 1 '

В третьей главе описана физическая установка "Оптический клистрон на байпассе ВЭПП-3" и модификация оптического резонатора для проведения экспериментов по сужению линии генерации (рис. 1).

Как уже отмечалось, основные вносимые пластинкой потери связаны с ее клиновидностью, и, так как изготовление пластинки в несколько миллиметров толщиной с клиновидностью несколько угловых секунд представляет собой довольно сложную техническую задачу, была проведена отбраковка пластинок перед экспериментом. Грубая отбраковка пластинок осуществлялась с помощью коллиматора АК-0,5У с разрешением 15 угловых секунд. При этом если пластинка имела клиновидность более 15 секунд, то в коллиматоре наблюдалось две линии и по шкале можно было определить клиновидность. Если пластинка имела волнообразные поверхности то наблюдалась одна широкая полоса.

Для более точного измерения клиновидности применялся интерферометр Линника, работающий в зеленой области спектра. При поперечных размерах пластинки 20 мм и клиновидности в 2 угловые секунды в интерферометре должно наблюдаться около 8 интерференционных полос. В пластинке, которая была отобрана для проведения экспериментов, наблюдалось чуть больше четырех полос, что соответствовало клиновид-~ ности около угловой секунды.

Также разработан метод измерения полных потерь в резонаторе с пластинкой на основе расчета его добротности по измеренному времени затухания свободных колебаний в резонаторе.

Описана применяемая система измерения оптического излучения из клистрона и три метода измерения тонких спектральных линий с относительным разрешением около Ю-6: эталон Фабри-Перо с ПЗС-линейкой и согласующей оптикой (рис. 1); интерферометр Фабри-Перо с вогнутыми зеркалами, пьезокерамической шайбой и согласующей оптикой; метод измерения длины когерентности при помощи интерферометра Мейкель-сона с использованием прецизионной подвижки и ПЗС-линейки.

Приведены спектры спонтанного излучения из оптического клистрона и захваченного, под порогом генерации, излучения при наличии вну-трирезонаторной пластинки, (рис. 2); измеренные ширины спектральных линий генерации при разных длинах электронного пучка, (рис. 3). Для пластинки толщиной 1,2 мм получена относительная ширина линии ДА/А = 3 • Ю-6, (рис. 4). Проведено сравнение экспериментов с расчетом, и сделан вывод о хорошем согласии. Измерения мощности излучения показали увеличение спектральной плотности излучения при сужении линии генерации.

В заключении перечисленные основные полученные результаты, которые одновременно являются положениями, выносимыми на защиту.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

[1] В.В. Анашин, ..., В.М. Попик, и др. Специализированный прямолинейный промежуток для работы с оптическим клистроном на накопителе ВЭПП-3. Препринт 89-126. Новосибирск, Институт ядерной физики СО АН СССР, 1989 г.

[2] N.G. Gavrilov,..., V.M. Popik, et al. Electromagnetic undulator for the VEPP-3 optical klystron. Nucl. Inst, and Meth., A282, (1989), pp.422423.

[3] N.A. Vinikurov, ..., V.M. Popik, et al. basing in visible and ultraviolet region in an optical klystron installed on VEPP-3 storage ring, Rev. of Scientific Instruments, v. 60,N 7, p. 1439 (1989).

[4] I.B. Drobyazko,..., V.M. Popik, et al. basing in Visible and Ultraviolet Region in an Optical Klystron Installed on VEPP-3 Storage Ring, Nucl. Inst, and Meth., A282, (1989), pp.424-430.

[5] H.A. Винокуров, ..., В.М.Попик, и др. Генерация видимого и ультрафиолетового излучения в оптическом клистроне, установленном на накопителе ВЭПП-3. Вопр. атомной науки и техники. . Серия: Ядерно-физические исследования. Выпуск 7 (15) 1990г.

[6] G.N. Kulipanov, ... , V.M. Popik, et al. The VEPP-3 Storage Ring Optical Klystron: Lasing in the Visible and Ultraviolet Region. Nucl. Inst, and Meth., A296, (1990), pp.1-3.

[7] M.-E. Couprie, ..., V.M. Popik, et al. The results of Lasing Linewidth Narrowing on VEPP-3 Storage Ring Optical Klystron. Nucl. Inst, and Meth., A304, (1991), pp;47-52.

[8] M.-E. Couprie, ..., V.M. Popik, et al. The results of Lasing Linewidth Narrowing on VEPP-3 Storage Ring Optical Klystron. Nucl. Inst, and Meth., A308, (1991), pp.39-44.

[9] M.-E. Couprie, ..., V.M. Popik, et al. The results of Lasing Linewidth Narrowing on VEPP-3 Storage Ring Optical Klystron. IEEE Journal of Quantum Electronics, v.27 (1991),N 12, pp. 2560-2565.

Рис. 4: Измеренная минимальная ширина линии.

LA12.4444 «FINE 11/05/30

07/52/27

Е=347.2MEV OKLS

MIRR ; D • F U8 • U72 •

ON : МА^Н : KHZ KV : KV

QrOFF'lil .7 • 4012.028' 12.2 • 2 i 6 .

I:10.87/9

*78

881Й

. 281Й