Исследование лазеров на свободных электронах и лазерного ускорения электронов

Артемьев, Александр Игоревич

Исследование лазеров на свободных электронах и лазерного ускорения электронов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.21 ВАК РФ

Артемьев, Александр Игоревич АВТОР

кандидата физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Москва МЕСТО ЗАЩИТЫ

2000 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.21 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Исследование лазеров на свободных электронах и лазерного ускорения электронов»

Автореферат диссертации на тему "Исследование лазеров на свободных электронах и лазерного ускорения электронов"

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ИНСТИТУТ ОБЩЕЙ ФИЗИКИ

На правах рукописи

УДК 535:621.373.8

539.12.076 621.384.6

РГБ ОД

АРТЕМЬЕВ Александр Игорей^ Ш

ИССЛЕДОВАНИЕ ЛАЗЕРОВ НА СВОБОДНЫХ ЭЛЕКТРОНАХ И ЛАЗЕРНОГО УСКОРЕНИЯ ЭЛЕКТРОНОВ

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Специальность 01.04.21 — "Лазерная физика"

Мгор:

МОСКВА 2000

Работа выполнена в Институте общей физики РАН

Научные руководители:

Аполлонов Виктор Викторович доктор физ.-мат. наук, профессор

Федоров Михаил Владимирович доктор физ.-мат. наук

Официальные оппоненты:

Бессонов Евгений Григорьевич доктор физ.-мат. наук

Нерсесов Эдуард Аристакесович доктор физ.-мат. наук, профессор

Ведущая организация:

Московский государственный университет им. Ломоносова, физический факультет.

Защита диссертации состоится " 29» мая 2000 г. в часов, на заседании диссертационного совета К.003.49.02 Института общей физики РАН по адресу: 117942, ГСП-1, Москва, ул. Вавилова, 38.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИОФ РАН.

Автореферат разослан " " ОЛу^^ЬЯ 2000 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

к.ф.-м.н.

Воляк Т.Б.

Ы?1. 19.0*

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Диссертация посвящена теоретическому исследованию нового метода ускорения электронов с помощью лазерного излучения и поиску оптимальных условий работы двух типов компактных лазеров на свободных электронах (ЛСЭ) — на среде с периодически модулированным показателем преломления и ЛСЭ на основе эффекта Смита-Парселла, в котором усиление света происходит при прохождении пучка электронов над дифракционной решеткой.

Актуальность работы

Лазеры на свободных электронах (ЛСЭ) отличаются от других типов лазеров уникальными возможностями перестройки частоты излучения. Они особенно привлекательны для использования в тех диапазонах частот, где затруднено создание других типов лазеров — в дальнем ИК, УФ и мягком рентгеновском диапазонах. Использование таких лазеров ограничено в силу их высокой стоимости и больших размеров, составляющих десятки метров. Поэтому усилия многих научных групп направлены на разработку и создание компактных и дешевых ЛСЭ. Необходимой частью этих исследований является поиск компактных схем передачи энергии от пучка электронов к лазерному излучению.

ЛСЭ на основе эффекта Смита-Парселла реализованы как в СВЧ так и в ИК-диапазонах частот. Имеется ряд нерешенных вопросов, важных для создания и совершенствования ЛСЭ СП:

• повышение мощности, ограниченной малой, порядка нескольких длин волн, шириной электронного пучка;

• повышение коэффициента усиления компактных ЛСЭ СП, особенно в ИК, оптическом и УФ-диапазонах частот;

• анализ условий усиления при использовании релятивистского пучка электронов и учете влияния на его динамику магнитного поля и поперечной составляющей электрического поля лазерной волны.

По сравнению с ЛСЭ СП, ЛСЭ на среде с пространственно модулированным показателем преломления обладает преимуществом в мощности, обусловленным возможностью использовать более широкий электронный пучок. В таком ЛСЭ взаимодействие электронного пупка со световой волной осуществляется внутри объемной дифракционной решетки, образованной средой. На пути к созданию ЛСЭ на среде с модулированным показателем преломления имеются специфинеские трудности:

• рассеяние электронов в среде обуславливает необходимость использования релятивистских; электронных пучков, что ограничивает возможности для перестройки частоты излучения ЛСЭ;

• воздействие пучка электронов может разрушить модуляцию показателя преломления рабочей среды (слоистой газоплазменной среды или твердотельной сверхрешетки).

Теоретический анализ ЛСЭ на периодически модулированной среде в режиме глубокой модуляции показателя преломления является задачей, актуальной для повышения коэффициента усиления ЛСЭ, для обеспечения возможности перестройки частоты в широком диапазоне и для повышения времени существования модуляции в среде.

Ускорители электронов находят разнообразные приложения и являются незаменимым инструментом для фундаментальной физики. Как правило, для ускорения электронов используются СВЧ поля, создаваемые в резонансной полости волновода. Амплитуда поля в ускорителях ограничена величиной в несколько десятков киловольт на сантиметр. Для достижения высоких энергий частиц необходимо создавать ускорители большого размера и высокой стоимости. Многими исследователями изучаются альтернативные подходы к ускорению электронов, связанные с использованием лазеров. Ожидается, что лазерные ускорители электронов будут более компактными и дешевыми по сравнению с существующими в настоящее время, что расширит область применения этих устройств.

Актуальными задачами в этой области являются:

• разработка метода лазерного ускорения заряженных частиц, позволяющего использовать интенсивные поля излучения лазера, вплоть до релятивистских интенсивностей излучения;

• обеспечение ускорения электронов интенсивным лазерным излучением на протяжении длины, достаточной для многократного увеличения энергии частиц.

Эффективное ускорение электронов при однократном прохождении через фокальную область достигается в схеме лазерного ускорения в присутствии постоянного магнитного поля, которая изучается в диссертации.

Таким образом, актуальность исследований, представленных в диссертации, обусловлена:

• необходимостью геометрической оптимизации коэффициента усиления ЛСЭ на основе эффекта Смита-Парселла при наклонном падении лазерного излучения на дифракционную решетку,

• необходимостью развития теории ЛСЭ на основе эффекта Смита-Парселла, учитывающей релятивистскую динамику электронного пучка в по-

перечном электромагнитном поле лазерной волны;

• необходимостью использования режима глубокой модуляции показателя преломления для обеспечения высокого коэффициента усиления при перестройке частоты ЛСЭ в широком диапазоне;

• необходимостью создания метода лазерного ускорения электронов, позволяющего использовать высоко интенсивное излучение лазера.

Цель работы

Целью работы является теоретический анализ и оптимизация уело в 1111 работы компактного лазерного ускорителя электронов и компактных лазеров на свободных электронах.

Защищаемые положения

1. Возможно эффективное ускорение релятивистского пучка электронов при взаимодействии с неоднородным полем сфокусированного лазерного излучения в присутствии поперечного постоянного магнитного поля.

2. В лазере на свободных электронах на основе эффекта Смита-Пар-селла коэффициент усиления за проход в ИК-диапазоне частот может быть увеличен путем выбора оптимального периода дифракционной решетки и оптимального угла падения излучения на решетку.

3. Слоистая газоплазменная среда и слоистая среда типа сверхрешетки в условиях глубокой модуляции показателя преломления перспективны для создания компактных лазеров на свободных электронах, работающих в ИК, видимом и УФ-диапазонах частот.

Научная новизна

1. Предложен и обоснован метод ускорения релятивистских электронов в вакууме полем лазерного излучения в присутствии поперечного однородного магнитного поля.

Установлен физический механизм набора энергии при прохождении пучка электронов через лазерный фокус. Найдена зависимость прироста средней энергии электронов пучка от интенсивности, длины волны и размеров фокальной области лазерного излучения, от напряженности магнитного поля и от начальной энергии электронов.

эффициента усиления по периоду решетки и углу падения усиливаемого излучения на дифракционную решетку.

3. Исследован режим глубокой модуляции в лазерах на свободных электронах, основанных на средах с периодически модулированным в пространстве показателем преломления (газоплазменной среде с периодически изменяющейся степенью ионизации или среде типа сверхрешетки). Сформулирован критерий и найдены условия реализации режима глубокой модуляции показателя преломления. Рассчитаны коэффициент усиления за проход, поле насыщения и эффективность указанных схем лазеров. Показана перспективность режима глубокой модуляции показателя преломления для создания лазеров на свободных электронов.

Практическая значимость полученных результатов

Результаты расчетов лазерного ускорения электронов в вакууме могут быть использованы для создания компактного лазерного ускорителя релятивистских электронов. Рассчитаная скорость набора энергии электронов сравнима со скоростью, достижимой другими методами, в частности, основанными на использовании плазменных волн.

Проведенная оптимизация коэффициента усиления компактных лазеров на свободных электронах важна для создания

• ЛСЭ на основе эффекта Смита-Парселла, работающего в ИК-диапазоне частот при наклонном падении усиливаемого излучения на дифракционную решетку;

• ЛСЭ на среде с пространственно-модулированным показателем преломления — в ИК, видимом и ближнем УФ-диапазонах частот.

Публикации и апробация работы

Результаты диссертации изложены в 9 статьях, опубликованных в отечественных и зарубежных журналах. По материалам диссертации сделаны доклады на 7 научных конференциях (см. стр. 20 автореферата). Результаты диссертации обсуждались на семинарах:

семинар по многофотонным процессам, руководитель Н.Б. Делоне, семинар отдела колебаний ИОФ РАН.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка цитируемой литературы, списка опубликованных работ, где представлены основные результаты диссертации, и списка докладов автора на конференциях.

и -.1

Н^

к е"

Е(1) = Е0 со5(<М-к-т(1))

Рис. 1.1. Конфигурация светового и магнитного полей при движении электрона через лазерный фокус.

Рис. 1.2. Временная зависимость поля лазерной волны, действующего на электрон, Но > тси/е72.

Общий объем диссертации -132 страницы, включая 23 рисунка и список цитируемой литературы из 158 наименований.

В конце каждой главы сформулированы основные результаты данной главы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении приведен обзор современных достижений по изучаемым вопросам, обоснована актуальность работы, поставлены цели и задачи исследования, приведены положения, выносимые на защиту.

Первая глава посвящена изучению и оптимизации схемы лазерного ускорения электронов в вакууме в присутствии постоянного поперечного магнитного поля, Рис. (1.1).

Для анализа процесса ускорения использовалась модель электромагнитного поля сфокусированной лазерной волны, точно удовлетворяющая уравнениям Максвелла. Поле моделировалось с помощью разложения в интеграл Фурье по плоским волнам.

В слабом магнитном поле, Н§ < тш/е72, электроны не изменяют энергию при прохождении фокальной области. Это объясняется тем, что осцилляции лазерного поля на траектории электронов однородны. Энергия электрона увеличивается в течение одной половины осцилляции и уменьшается в течение другой. В результате полная работа поля лазерной волны в течение каждой отдельной его осцилляции на траектории электрона равна нулю.

Подробно изучено ускорение электронов в присутствии сильного поперечного магнитного поля, Но > тсы/е72. В таком поле осцилляции лазерного поля, действующего на движущийся по окружности электрон, неравномерны. Они наиболее медленны вблизи точки, где скорость электрона параллельна оси лазерного пучка. Поэтому на траектории электрона существует центральная выделенная область, в пределах которой происходит основной набор энергии Рис. (1.2). Характерный размер 1о этой области определяется частотой лазерного поля а> и ларморовской частотой О электрона в магнитном поле: ¿о~с^~с(шП2)_1'/3. Качественно, ускорение происходит в квазистационарных скрещенных электрическом Е^ и магнитном полях лазерной волны и в постоянном магнитном поле Но в течение одной осцилляции поля на искривленной траектории электрона * ~ (иП2)'1'3.

Найдено относительное приращение энергии электронов пучка А£/£о, усредненное по начальной фазе ф0:

Д£\ , ГеЕ^У /70у/3

¿о /<!>о ~ \т<ы) \ 7 /

(1-1)

где 7о = (пихи/еНо)1/2 — пороговое значение релятивистского фактора электронов, при превышении которого реализуется описанный механизм ускорения. При релятивистской амплитуде поля, eEi^s/mcu ~ 1, энергия электронов удваиватся при однократном прохождении через фокальную область. IIa Рис. (1.3) изображена зависимость среднего приращения энергии электронов пучка, усредненного по начальной фазе поля фо, (А£/£о от начального релятивистского фактора у.

Найдены оптимальные условия фокусировки и оптимальные размеры фокальной области, при которых набор энергии электронов максимален. Оптимальные угол фокусировки излучения £>oopt и диаметр фокальной области dopt определяются из условия равенства длины фокальной области L~cöoopt/w и длины, на которой происходит ускорение электрона, ¿о = c(o>fi2)-1/3:

[ШЛ

\тс(о1

Рис. 1.3. Относительное изменение средней энергии электрона /£о в зависимости от релятивистского фактора 7.

dopt ~ А • #0ор1.-

В оптимальных условиях скорость набора энергии достигает величины Д£//о ~ тпс2/\~/о- Для двух типов лазеров сделаны численные оценки этой скорости. Для излучения СОг лазера, Л = Юмкм, энергия электронов может увеличиться с £о = 5МэВ до £ = ЮМэВ при интенсивности I — 1016Вт/см2, если длина и ширина фокуса составляют Ь = Змм и ё — 0.2мм, напряженность постоянного магнитного поля Но = 20кГс. При этом длина Iо, на которой происходит ускорение, равна 0.5мм, а скорость набора энергии равна А£/1о = 100МэВ/см.

Для УФ-излучения КгГ лазера, Л = 0.24 мкм, длина области ускорения 10 — 0.15мм, а скорость набора энергии равна &£/1о ~ 2ГэВ/см при интенсивности I = 1019Вт/см2 и 20 ГэВ/см при интенсивности I = Ю20Вт/см2.

Таким образом, рассматриваемая схема позволяет использовать для ускорения электронов лазерные поля высокой интенсивности, может обеспечить высокую скорость набора энергии и конкурентоспособна по сравнению с другими схемами ускорения, в частности, основанными на использовании плазмы.

Вторая глава посвящена вычислению и оптимизации коэффициента усиления лазера на свободных электронах, основанного на эффекте Смита-Парселла (ЛСЭ СП). В таком лазере падающая на дифракционную решетку электромагнитная волна усиливается в результате взаимодействия с пучком электронов.

Коэффициент усиления за проход был рассчитан с помощью теории

возмущений по амплитуде лазерного поля в рамках приближения малого коэффициента усиления, а также резонансного и одночастичного приближений. Расчеты выполнены для наклонного падения лазерной волны на решетку. Учитывалось влияние на движение электронов как продольной, так и поперечной составляющих поля волны. Получено общее выражение для коэффициента усиления й в ЛСЭ СП. Показано, что

где <1 — Ьъгл1в — поперечный размер усиливаемой волны, падающей под углом Я-/2 — в на дифракционную решетку длины Ьега1, а ип — безразмерная отстройка от резонансной частоты.

Уменьшение угла в приводит к уменьшению необходимого диаметра лазерного пучка (I в направлении, перпендикулярном решетке, что в свою очередь приводит к

1) увеличению коэффициента усиления С? ~ <1~х;

2) уменьшению длины дифракционной расходимости усиливаемого излучения в резонаторе 1(тт ~ с!2/А.

Минимально допустимый угол в определяется из условия равенства длины дифракционной расходимости и длины решетки 0тпт = л/х/Т^,. Максимальный коэффициент усиления за проход ЛСЭ СП, соответствующий вт1а, оценивается следующим образом:

где ге = е2/гпс2 — классический радиус электрона, пе —■ плотность электронного пучка, Д£/£ — ширина функции распределения электронов пучка по энергии.

На Рис. (2.1) представлена качественная зависимость коэффициента усиления ЛСЭ от периода модуляции решетки. Он достигает максимума при периоде модуляции

(2.1)

(2.2)

(2.3)

и частоте излучения

(2.4)

Рис. 2.1. Зависимость коэффициента усиления ЛСЭ на основе эффекта Смита-Парселла от периода дифракционной решетки.

Для оценок приняты Xgrat = 10см, А£/£ — Ю-3, 7 = 4, А0 « 2.4-10~2см, си « 2.3-10-14с-1 (А « 12мкм). В этом случае коэффициент усиления за проход Сгтах равен 12% при плотности тока j = 50 А/см2. Такие значения параметров демонстрируют возможность эффективного усиления в ЛСЭ СП в инфракрасной области частот. Размеры релятивистского ЛСЭ СП могут быть гораздо меньшими, чем типичные размеры ЛСЭ, основанного на использовании ондулятора.

Проанализированы различные возможности для повышения рабочей частоты лазера. Как следует из формул (2.3, 2.4), перспективным методом повышения частоты ЛСЭ СП является уменьшение периода решетки Ао при одновременном улучшении качества электронного пучка. Альтернативный подход к увеличению частоты ЛСЭ связан с использованием высоко релятивистских электронов. Этот подход имеет ограниченную применимость, так как с ростом релятивистского фактора 7 возрастает необходимая длина решетки I/grat ~ 73^2 и уменьшается преимущество ЛСЭ СП в размерах перед ЛСЭ на основе ондулятора.

Результаты второй главы указывают путь повышения коэффициента усиления ЛСЭ СП: оптимизация его геометрии в условиях наклонного падения усиливаемой волны. Выражения для коэффициента усиления релятивистского ЛСЭ СП, полученные с учетом поперечных составляющих поля лазерной волны, важны для анализа условий работы и определения оптимальных параметров конструкции такого лазера.

Третья глава посвящена расчету коэффициента усиления, поля насыщения и эффективности двух типов лазеров на свободных электронах, основанных на средах с периодически модулированным в пространстве показателем преломления. Особое внимание уделено случаю глубокой модуляции.

В рассматриваемых ЛСЭ среда с пространственно модулированным показателем преломления играет роль объемной дифракционной решет-

ки. Излучение в такой среде распространяется как электромагнитная мода, состоящая из большого количества парциальных плоских волн (ППВ): E(t) — cos(knz — u>t), kn = {k0 + nq). Усиление света происходит при

взаимодействии пучка электронов с резонансной ему парциальной плоской волной. При этом увеличиваются амплитуды всех парциальных волн, образующих моду в среде. Принципиальная схема взаимодействия представлена на Рис. (3.1).

v(pb)

Усиливаемый

свет —_____-_;_

, Модулированная среда

ш.

Рис. 3.1. Геометрия взаимодействия электронов с электромагнитной волной, распространяющейся в среде с пространственно модулированным показателем преломления.

Режим глубокой модуляции показателя преломления характеризуется формированием большого количества ППВ сравнимой амплитуды: Ео ~ Ец ~ Е±2 ~... ~ -Е±л'> которые можно использовать для резонансного взаимодействия с электронным пучком. Получена оценка для числа N парциальных плоских волн, формирующихся в среде с модулированной диэлектрической проницаемостью е{г) — (е) -)- 2асоз(дг):

N = 4аА° /3 п

где Ло = 2тг/д — период модуляции, А — длина волны излучения.

Найдены условия, при которых осуществляется режим глубокой моду-

ляции показателя преломления в слоистои газоплазменной среде:

N- ЫРтахЛ0 „ , 1 ~~ 7СШС ^ 1 '

Wpmax < Ш < Ц^тахА0/27ГС, ^

Ло > 2лс/а>р шах )

где Шр тах — плазменная частота в областях максимальной ионизации, а ш — частота усиливаемого излучения. При атмосферном давлении плазменная частота wpmax = 2.4-1014с~1 и поэтому период модуляции Ао должен превышать 8-10~4 см.

Получены выражения для максимального коэффициента усиления Gmax за один проход излучения через резонатор, эффективности ЛСЭ rj, поля насьпцения резонансной парциальной волны Е„ sat и поля насыщения усиливаемой моды Етode sat = (Emcu-ic / Еп) ■ Еп sM:

Gm^ = 10.2^--^^=, (3.3)

^mode mcj74

V = -

En~Etiaat

¿medш!с '

(3.4)

-Ensat ~ f- , , \ г- (в единицах СГС), (3.5)

earned (w/c)Lmed

где Lmed — длина модулированной среды. Релятивистский фактор электронов 7 и угол 0 между вектором скорости электронного пучка ve и осью лазерного пучка выбирались так, чтобы максимизировать коэффициент усиления.

Зависимость коэффициента усиления Gmax от частоты усиливаемого света и> и зависимость Gmax от периода модуляции Ао была рассчитана численно. Для каждого значения частоты ш или периода модуляции Ао выбиралась та парциальная волна, которая обеспечивала максимальный коэффициент усиления. Результаты расчетов основных параметров ЛСЭ на основе газоплазменной среды и ЛСЭ на основе сверхрешетки приведены на Рис. (3.2) и (3.3). Эти результаты подтверждают перспективность использования сред с периодически модулированным в пространстве показателем преломления для создания лазеров на свободных электронах. Обе схемы позволяют достичь коэффициента усиления за проход G порядка единицы в режиме глубокой модуляции показателя преломления:

• в схеме с газоплазменной средой в ИК-диапазоне при частоте излучения U) LOp raax ^ 3 • 1014с-1, при плотности тока пучка j = 50А/см2, энергии электронов £0 = 2-^-3.ЬМэВ, длине среды Lm,,,\ — Юом, периоде модуляции Ао равном 10 ■ 27rc/u>pmax = 0.0063см:

• в схеме со сверхрешеткой на основе слоев KCl и аморфного кварца — в видимом и УФ-диапазонах, при частоте из = 2-1015с-1 -г 1016с-1, плотности тока пучка j = ЮА/см2, энергии электронов So = 1.2МэВ, длине сверхрешетки Ьтсл = 0.5слг, периоде модуляции Ао = 3.3 • 10-3üm.

Данные, представленные на Рис. (3.2), свидетельствуют о том, что максимальный коэффициент усиления достигается в газоплазменной среде при частоте излучения из порядка частоты max и реализуется за счет взаимодействия электронного пучка с ППВ высокого порядка. Это свидетельствует о принципиальной важности учета большого количества ППВ для анализа работы рассматриваемого ЛСЭ.

Данные, представленные на Рис. (3.3), свидетельствуют о том, что режим глубокой модуляции показателя преломления реализуется в сверхрешетке при увеличении частоты из. В режиме глубокой модуляции коэффициент усиления ЛСЭ примерно одинаков во всем диапазоне рабочих частот, ограниченном прозрачностью материалов сверхрешетки. Это связано с возрастанием глубины модуляции и с увеличением числа ППВ большой амплитуды при высоких частотах.

Выявлена почти монотонная убывающая зависимость коэффициента усиления ЛСЭ на основе сред с модулированным показателем преломления от периода модуляции среды. Максимальный коэффициент усиления достигается при малом периоде модуляции среды Ad ~ А/4 а, хотя при этом реализуются минимальное поле насыщения Етоdesat и минимальный КПД ЛСЭ rj. Результаты аналогичны для обеих рассматриваемых сред и связаны с уменьшением оптимального релятивистского фактора электронного пучка при уменьшении периода модуляции среды.

Показано, что по сравнению с режимом слабой модуляции показателя преломления, режим глубокой модуляции позволяет:

• в схеме с газоплазменной средой увеличить период модуляции, что повышает время существования модуляции в таких средах;

• в схеме со сверхрешеткой обеспечить возможность усиления в широкой области частот, от видимого до ближнего УФ-диапазона.

Определены требования к качеству электронного пучка — угловой расходимости &0 < А/(Ьв) < Ю-4 рад, эмиттансу е = 2 - 20 мм-мрад и ширине энергетического распределения Д£/£0 < l/(niV) = 0.001 — 0.0001, где п — порядок дифракции резонансной ППВ.

Полученные результаты качественно приложимы к ЛСЭ, основанному

Рис. 3.2. Параметры ЛСЭ, основанного яа использовании газоплазменной среды, при которых достигается максимальный коэффициент усиления G.

(а) коэффициент усиления ЛСЭ G и номер парциальной волны, обеспечивающей максимальный коэффициент усиления;

(б) релятивистский фактор электронного пучка 7, при котором достигается максимальный коэффициент усиления;

(в) амплитуда поля насыщения для усиливаемой электромагнитной моды

¿'mode sat >

(г) эффективность ЛСЭ г).

Äodesat (V/Cm)

(в)

80 60 40 20

CÖ

4-1015

6-1015

8Ю15

(r)

6-10 4-10"' 2-10"1 0

4-1015

6Ю1

8-10'

Рис. 3.3. Параметры ЛСЭ, основанного на использовании твердотельной сверх-решеткя, при которых достигается максимальный коэффициент усиления G.

(а) коэффициент усиления ЛСЭ G и номер парциальной волны, обеспечивающей максимальный коэффициент усиления;

(б) релятивистский фактор электронного пучка 7;

(в) амплитуда поля насыщения усиливаемой электромагнитной моды Ет0desat!

(г) эффективность ЛСЭ ц.

на эффекте вынужденного резонансного переходного излучения и могут быть использованы при создании таких лазеров.

Сравнение ЛСЭ на среде с периодически модулированным показателем преломления с черенковским ЛСЭ, имеющем сходный механизм усиления, показывает, что рассматриваемый в диссертации лазер имеет ряд преимуществ:

• ЛСЭ, на среде с периодически модулированным показателем преломления, способен функционировать в более широком частотном диапазоне, чем черенковский ЛСЭ;

• рассматриваемый ЛСЭ может использовать газоплазменные среды со средней диэлектрической проницаемостью меньше единицы, (е) < 1.

Таким образом, среды с глубокой пространственной модуляцией показателя преломления перспективны для создания компактных лазеров на свободных электронах.

В заключении сформулированы основные результаты диссертации.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ

1. Предложена и обоснована схема ускорения пучка релятивистских электронов при его прохождении через фокус излучения в присутствии поперечного постоянного магнитного поля.

Показано, что механизмом ускорения электронов в такой схеме является взаимодействие со скрещенными квазистационарными неодинаковыми по величине электрическим и магнитным полями. Показано, что набор энергии происходит в течение одной осцилляции лазерного поля на траектории электрона вблизи точки, где скорость электрона на круговой орбите в постоянном магнитном поле параллельна оси лазерного фокуса.

Показано, в частности, что средняя энергия пучка электронов удваивается после прохождения через фокус при интенсивности излучения ССЬ лазера I = 101бВт/см2, длине и ширине фокуса L = 4мм и d — 0.2мм, напряженности постоянного магнитного поля Но = 5кГс и начальной энергии электронов £0 = ЮМэВ.

2. Найден коэффициент усиления в лазере на свободных электронах, основанном на эффекте Смита-Парселла в схеме с наклонным падением усиливаемой волны на поверхность дифракционной решетки.

в частности, что в ИК-диапазоне при длине волны Л = 12мкм коэффициент усиления за проход может достигать величины, достаточной для создания лазера (в = 12%), при плотности тока пучка ^ = 50А/см2, энергии электронов Е0 — 2МэВ, длине решетки Ь = 10см, периоде решетки Ао = 0.025см, угле фокусировки излучения 6в ~ (А/1/)1/2 = 0.1рад и угле падения в ~ п/2 — 69 ~ 1.47рад.

3. Рассчитаны коэффициент усиления, поле насыщения и эффективность лазеров на свободных электронах, основанных на средах с периодически модулированным в пространстве показателем преломления (газоплазменной среды с периодически изменяющейся степенью ионизации или среды типа сверхрешетки), в условиях глубокой модуляции показателя преломления.

При заданных частоте поля, периоде и глубине модуляции коэффициент усиления оптимизирован по энергии электронов, что эквивалентно оптимальному выбору резонансной пространственной Фурье-компоненты поля.

Определены условия, при которых коэффициент усиления за проход достигает величины порядка единицы:

• в схеме с газоплазменной средой в ИК-диапазоне при частоте излучения Ш ~ Шр щах ~ , где сортах — плазменная частота в области максимальной ионизации среды, при плотности тока пучка ^ — 50А/см'2, энергии электронов £о = 2 -г З.бМэВ и длине среды Ь — 10см;

• в схеме со сверхрешеткой в видимом и УФ-диапазонах, при частоте и = 2-1015с~1-^1016с-1, плотности тока пучка ] — 10А/см2, энергии электронов £0 — 1.2МэВ и длине сверхрешетки Ь — 0.5см.

• в схеме с газоплазменной средой увеличить период модуляции, что повышает время существования модуляции;

Благодарности

Представленные в диссертации работы были выполнены при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований, гранты 99-02-17295, 97-02-17783, 96-02-18241; Фонда Сороса, грант М11300; ШТАБ - Международного центра фундаментальной физики в Москве, грант 93-2492.

Публикации автора по теме диссертации

Основные результаты диссертации опубликованы в работах

1) В.В. Аполлонов, А.И. Артемьев, Ю.Л. Калачев, A.M. Прохоров, М.В. Федоров — "Ускорение электронов в сильном лазерном поле и постоянном поперечном магнитном поле", Письма ЖЭТФ, т. 47, N 2, стр. 77-79 (1988);

2) V.V. Apollonov, A.I. Artem'ev, Yu.L. Kalachev, A.M. Prokhorov, A.G. Suz-daltsev, M.V. Fedorov — "Acceleration of electrons in a strong laser field and a static magnetic field perpendicular to polarization plane of the laser field" — Optical and Acoustical Review, Vol. 1, N 1, pp. 1-15 (1990);

3) В В. Аполлонов, А.И. Артемьев, Ю.Л. Калачев, A.M. Прохоров. М.В. Федоров — "Ускорение электронов полем интенсивного лазерного излучения в присутствии постоянного магнитного поля", Журнал Экспериментальной и Теоретической Физики, Том. 97, N. 5, стр. 1498-1510 (1990);

4) V.V. Apollonov, A.I. Artemyev, M.V. Fedorov, Yu.L. Kalachev, A.M. Prokhorov, A.G. Suzdaltsev — "Modelling of a focused laser field and acceleration of electrons in. the presence of a static magnetic field collineax to the magnetic field of the laser wave", Laser Physics, Vol. 2, pp. 502-513 (1992);

5) A.I. Artemyev, M.V. Fedorov, E.A. Shapiro, "Amplification in the Smith-Purcell Free-Electron Laser", Laser Physics, Vol. 4, pp. 1114-1119 (1994);

6) A.I. Artemyev, M.V. Fedorov, J.K. Mclver, E.A. Shapiro — "Nonlinear theory of a free-electron laser exploiting media with periodically modulated refractive index," IEEE J. Quantum Electron., Vol. 34, pp. 24-31 (1998);

7) V.V. Apollonov, A.I. Artemyev, M.V. Fedorov, J.K. Mclver, E.A. Shapiro — "Gas-plasma and superlattice free-electron lasers exploiting a medium with periodically modulated refractive index," Laser and Particle Beams, Vol. 16, pp. 267-276 (1998);

8) V.V. Apollonov, A.I. Artemyev, M.V. Fedorov, J.K. Mclver, E.A. Shapiro — "Free-electron lasers exploiting a superlattice- like medium," Optics Express, Vol. 3, pp. 162-170 (1998),

http://epubs.osa.org/oearchive/source/4596.htm http://epubs.osa.org/Opticsexpress/tocv3n5.htm;

9) V. Apollonov, A. Artemyev, M. Fedorov, E. Shapiro, J. Mclver, "Compact free-electron lasers exploiting media with periodically modulated refractive index," in Advanced High-Power Lasers, M. Osinski, H. Powell, K. Toyoda, Editors, Proceedings of SPIE Vol. 3889 (2000).

Доклады автора на конференциях

Основные результаты диссертации доложены на конференциях:

1) V.V. Apollonov, A.I. Artemyev, Yu.L Kalachev, A.M. Prokhorov, M.V. Fe-dorov — "Electron acceleration in a strong Laser field and a static transverse magnetic field", 2nd European Conference on Quantum Electronics, EQEC'89, Aug. 28 - Sept. 1, 1989, Dresden, GDR;

2) B.B. Аполлонов, А.И. Артемьев, Ю.Л. Калачев, A.M. Прохоров, М.В. Федоров — "Ускорение электронов в сфокусированном лазерном излучении и постоянном поперечном магнитном поле", Второе всесоюзное совещание по новым методам ускорения заряженных частиц, 1989, Нор-Амберд, Армения;

3) A.I. Artemyev, M.V. Fedorov, Е.А. Shapiro — Amplification in the Free-Electron Laser based on Media with Periodically Modulated Refractive Index, 15-th International Conference on Coherent and Nonlinear Optics, Technical Digest, Report LWH09, 27 Июня - 1 Июля, 1995, Петербург, Россия;

4) A.I. Artemyev, M.V. Fedorov, E.A. Shapiro, J.K. Mclver — "Prospects of compact FEL employing media with periodically modulated permeability," Book of Abstracts, report TH СЮ P 3, 18-th International Free Electron Laser Conference, August 26-30, 1996, Roma-Palazio Brancaccio, Rome, Italy;

5) A.I. Artemyev, M.V. Fedorov, E.A. Shapiro, J.K. Mclver — "Interaction of an Electromagnetic Wave Propagating in a Medium with Periodically Modulated Refractive Index with an Electron Beam: Large Modulation Regime", European Research Conference on Quantum Optics, September 21-26, 1996, Castevecchio Pascoli, Italy;

6) A.I. Artemyev, V.V. Apollonov, Yu.L. Kalachev, A.M. Prokhorov, M.V. Fedorov — "Modelling of a Focuscd Laser Field and Acceleration of Electrons in the Presence of a Static Magnetic Field Collinear to the Magnetic Field of the Laser Light", International Forum on Advanced High Power Lasers and Applications, AHPLA '99, High Power Lasers in Energy Engineering, HPL02 Session 5, Report 3886-18, November 1-5, 1999, Osaka, Japan;

7) A.I. Artemyev, V.V. Apollonov, J.K. Mclver, M.V. Fedorov, E.A. Shapiro — "Compact free-electron lasers exploiting media with periodically modulated refractive index", International Forum on Advanced High Power Lasers and Applications, AHPLA '99, Avanced High Power Lasers, HPL05, Session 9, Report 3889-39, November 1-5, 1999, Osaka, Japan.

Подписано в печать 18 апреля 2000 г. Заказ № 75. -Тираж 75 экз. П.л. I»3 •

Отпечатано в РИИС ФИАН. Москва, В-333, Ленинский проспект, 53

Содержание диссертации автор исследовательской работы: кандидата физико-математических наук, Артемьев, Александр Игоревич

Введение

Актуальность темы.

Цель работы.

Научная новизна.

Защищаемые положения.

Практическая ценность работы

Публикации и апробация работы

Структура и объем диссертации.

Содержание работы.

1. Лазерное ускорение электронов в вакууме в присутствии постоянного поперечного магнитного поля

1.1 Введение

1.2 Математическая постановка задачи и методы ее решения

1.3 Изменение энергии электрона в первом порядке теории возмущений

1.4 Изменение энергии электрона во втором порядке теории возмущений при

7 > 7о.

1.5 Качественная интерпретация ускорения в области высоких энергий, при

7 » То.

1.6 Отсутствие ускорения при низких энергиях, 7 <С 7о.

1.6 Оценки и сопоставление с результатами численного моделирования

1.7 Выводы к главе

2. Лазер на свободных электронах, основанный на эффекте Смита— Пар-селла

2.1 Введение

2.2 Конфигурация поля.

2.3 Уравнения движения и метод их решения.

2.4 Решение уравнений движения в первом порядке теории возмущений

2.5 Решение уравнений движения во втором порядке теории возмущений

2.6 Коэффициент усиления.

2.7 Оценки и обсуждение результатов.

3. Режим глубокой модуляции лазера на свободных электронах на среде с периодически модулированным показателем преломления

3.1 Введение

3.1.1 Механизм усиления.

3.1.2 Постановка задачи и результаты.

3.2 Световое поле в среде с модулированным показателем преломления

3.2.1 Типы модулированных сред.

3.2.2 Модель периодически модулированной среды.

3.2.3 Общие уравнения.

3.2.4 Матричный вид бесконечной системы уравнений для собственных мод электромагнитного поля.

3.2.5 Алгоритм нахождения мод электромагнитного поля при помощи усеченной системы уравнений и критерий применимости использованного алгоритма.

3.2.6 Второй критерий допустимости использования усеченных матричных уравнений.

3.2.7 Структура электромагнитной моды в окрестностях запрещенных зон

3.3 Условия реализации режима глубокой модуляции.

3.3.1 Критерии глубокой и малой модуляции диэлектрической проницаемости среды.

3.3.2 Режим глубокой модуляции газоплазменной среды.

3.3.3 Режим глубокой модуляции среды типа сверхрешетки.

3.4 Взаимодействие электрона со световой волной.

3.4.1 Коэффициент усиления, поле насыщения и эффективность ЛСЭ

3.4.2 Оптимизация параметров ЛСЭ

3.4.2.1 Максимальный коэффициент усиления

3.4.2.2 Поле насыщения

3.4.2.3 Связь между коэффициентом усиления за проход и КПД.

3.4.3 Требования к качеству среды и электронного пучка.

3.5 Численные расчеты.

3.5.1 Газоплазменная среда.

3.5.1.1 Рабочие параметры ЛСЭ при малом периоде модуляции

3.5.1.2 Рабочие параметры ЛСЭ при большом периоде модуляции

3.5.1.3 Функционирование ЛСЭ на газоплазменной среде, при частоте и, близкой к а;ртах, и различных периодах модуляции.

3.5.1.4 Обсуждение результатов для газоплазменных сред.

3.5.2 Сверхрешеточные структуры.

3.5.2.1 Рабочие параметры ЛСЭ при различных частотах.

3.5.2.2 Оптимизация работы ЛСЭ при большом коэффициенте усиления

3.5.2.3 Рабочие параметры ЛСЭ при различных периодах модуляции

3.6 Аналогия между ЛСЭ СПМПП, черенковским ЛСЭ и

ЛСЭ на резонансном переходном излучении

3.7 Результаты главы 3.

Введение диссертация по физике, на тему "Исследование лазеров на свободных электронах и лазерного ускорения электронов"

Диссертация посвящена теоретическому исследованию нового метода ускорения электронов с помощью лазерного излучения, а также поиску оптимальных условий работы двух типов компактных лазеров на свободных электронах (ЛСЭ) — ЛСЭ на среде с периодически модулированным показателем преломления и ЛСЭ на эффекте Смита-Парселла, в котором усиление света происходит при прохождении пучка электронов над дифракционной решеткой. Целью оптимизации было достижение максимального коэффициента усиления лазеров.

Актуальность темы

I. Ускорители электронов находят разнообразные применения и являются незаменимым инструментом физических исследований. Используемые в настоящее время ускорители имеют большие размеры (от нескольких метров до десятков километров) и стоимость. Одна из причин заключается в том, что ускоряющее поле не превосходит нескольких десятков или сотен киловольт на сантиметр. Многими исследователями изучаются альтернативные подходы к ускорению электронов, связанные с использованием лазерного излучения высокой интенсивности. Ожидается, что лазерные ускорители электронов будут более компактными и дешевыми по сравнению с существующими в настоящее время, что расширит область применения этих устройств. Предложенные к настоящему времени методы лазерного ускорения электронов можно разбить на группы, в зависимости от того, происходит ли ускорение электронов: • в среде (в плазме, в жидкости или газе): о ускоритель на плазменной волне биений [1 - 8]; о ускорители на кильватерной волне в плазме (plasma wakefield accelerator , laser wakefield accelerator) [9-17]; о ускоритель на обратном эффекте Вавилова-Черенкова [18, 19];

• вблизи границы двух сред (в волноводе, вблизи дифракционной решетки, вблизи плоской поверхности или световода): о ускорители на медленной электромагнитной волне [20];

• в вакууме: о обратный лазер на свободных электронах [21-28]; о обратный комптоновский лазер и ускоритель на сфокусированной ТЕ или ТМ-волне [29-38]; о авторезонансный лазерный ускоритель [39-51]; о нерезонансный ускоритель с постоянным магнитным полем [52-61].

Ускорение электронов в вакууме перспективно для использования лазерного излучения высокой интенсивности: оно не предполагает использования среды, свойства которой меняются под действием интенсивного излучения.

Опишем принцип работы и возможности перечисленных схем лазерного ускорения электронов.

1. Ускоритель на плазменной волне биений использует электрическое поле продольной плазменной волны, которая возбуждается при кол-линеарном распространении в плазме двух волн с близкими частотами |wi - ш21 <С Wi} 2 [1-8].

Экспериментально реализовано возбуждение плазменной волны биений излучением импульсного СО2 лазера либо излучением Nd лазера. Плазменная волна, созданная с помощью Nd лазера, позволила достичь скорости набора энергии электронов 7-12МэВ/см при начальной энергии электронов Eq = 3.3 МэВ [7, 8]. Энергии электронов после ускорения составляла Е\ = 4.7 МэВ, а длина области ускорения была близка к 1 мм.

Среди факторов, затрудняющих использование плазменной волны биений для ускорения, следует отметить жесткие требования к однородности плазмы и небольшую длину насыщения. Кроме того, использованию интенсивного излучения препятствует пондеромоторный потенциал лазерной волны, который выталкивает электроны плазмы из фокальной области.

2. Ускоритель на кильватерной волне в плазме (plasma wake field accelerator, laser wake field accelerator) использует продольные электрические поля, порождаемые колебаниями электронной плотности плазмы при прохождении через нее короткого импульса лазерного излучения или сгустка заряженных частиц [9-17].

При использовании этого метода скорость набора энергии составляет 0.25-0.65 МэВ/см, а длина области, в пределах которой происходит ускорение, достигает 10-100 см [17]. Возможность поддержания ускорения на столь протяженном участке выгодно отличает данный метод от других. К недостаткам ускорителя на кильватерной волне следует отнести меньшую, по сравнению с ускорителем на волне биений, величину ускоряющего поля.

3. Ускоритель на обратном эффекте Вавилова—Черенкова использует среду с показателем преломления п > 1 для замедления фазовой скорости электромагнитной волны, что делает возможным ее резонансное взаимодействие с пучком электронов [18, 19].

Экспериментально реализован ускоритель, основанный на эффекте Ва-вилова-Черенкова, который позволил ускорить электроны на 3.7 МэВ при начальной энергии в 40 МэВ и длине ускорения 12 см. Скорость набора энергии составила 0.3 МэВ/см [18, 19]. •

Эффект Вавилова-Черенкова затруднительно использовать для создания ускорителей с большим темпом набора энергии из-за оптического пробоя среды интенсивным полем лазерного излучения.

4. Ускоритель на медленной электромагнитной волне использует среду с показателем преломления п > 1 или замедляющую структуру для создания электромагнитной волны с фазовой скоростью V < с. Такой структурой может быть, например, волновод с профилированными стенками [20], граница раздела сред с различными показателями преломления или дифракционная решетка.

К недостаткам таких систем можно отнести невозможность использования лазерных полей высокой интенсивности из-за пробоя и оптического разрушения замедляющей структуры.

5. Обратный лазер на свободных электронах основан на вынужденном поглощении излучения при прохождении пучка электронов через ондулятор (устройство, вызывающее осцилляции электронов) [21-28].

Создан обратный лазер на свободных электронах [27, 28], на котором зарегистрировано увеличение энергии электронов с 49 МэВ до 88 МэВ при использовании импульсов излучения СОг-лазера. Скорость набора энергии составила 1 МэВ/см. Использовался ондулятор длиной 0.47 м. Напряженность электрического поля лазерного излучения составляла 1.36 • 108 В/см.

Преимуществом обратного лазера на свободных электронах является отсутствие необходимой для взаимодействия среды, что позволяет использовать интенсивное лазерное излучение. Трудности в создании таких лазеров обусловлены большими размерами установки, эффектами насыщения, ограничивающими длину области ускорения, резонансным характером ускорения и, как следствие, чувствительностью приращения энергии электронов к их начальной энергии.

6. Обратный комптоновский лазер ускоряет электроны в вакууме при их прохождении через область пересечения двух лазерных пучков [29 -35] или через фокальную область лазерного пучка [36-38]. В последнем случае продольная компонента электрического поля сфокусированного лазерного излучения ускоряет электроны. Эффективность обратного компто-новского лазера ограничена в силу небольшого размера области взаимодействия и эффектов насыщения [35]. Для достижения большого приращения энергии предлагалось осуществлять многоступенчатый процесс ускорения при прохождении пучка электронов через последовательно расположенные фокальные области.

7. Авторезонансный лазерный ускоритель осуществляет ускорение электронов, движущихся в постоянном магнитном поле, параллельном волновому вектору циркулярно поляризованной электромагнитной волны [39-51]. Для ускорения электронов ларморовская частота = еЩ/тс7 их вращения в магнитном поле Щ должна совпадать с частотой осцилля-ций поля лазерного излучения на релятивистской траектории электронов. Ускорение осуществляется либо в вакууме [39-45], либо в плазме [46-51].

Описан ускоритель [45], основанный на циклотронном резонансе, который позволяет ускорять электроны с начальной энергией 250 кэВ до энергии 1.1 МэВ при длине ускорителя 112 см. Это соответствует скорости набора энергии 0.01 МэВ/см. Для ускорения используются дециметровые волны с частотой 2.856 ГГц и мощностью 21 МВт.

8. Нерезонансный ускоритель электронов в вакууме в присутствии постоянного магнитного поля, который исследован в диссертации, позволит обеспечить высокую скорость набора энергии на коротком промежутке [52-60]. При поперечном направлении постоянного магнитного поля ускорение происходит в квазистационарных скрещенных электрическом и магнитном полях в течение времени одной осцилляции поля лазерного излучения на искривленной траектории релятивистского электрона.

Средняя энергия электронов удваивается при их однократном прохождении через фокальную область. Скорость набора энергии составляет ЮОМэВ/см при использовании излучения СОг-лазера с интенсивностью 1016 Вт/см2 и 2ГэВ/см при использовании излучения КгР-лазера с интенсивностью 1019 Вт/см2.

Взаимодействие осуществляется в вакууме, поэтому не возникает ограничений на амплитуду лазерного излучения. При превышении пороговой энергии зависимость приращения энергии электронов от их начальной энергии является плавной, что создает принципиальную возможность многократного повторения процесса ускорения при использовании цуга импульсов, фокусируемых в последовательно расположенные фокальные области.

В литературе описаны родственные ускорители, использующие среды с показателем преломления п > 1. В этом случае возможен захват частицы волной и ускорение ее силой Лоренца вдоль волнового фронта лазерной волны [61]. Такой ускоритель также является модификацией обратного Че-ренковского ЛСЭ.

Изучение работ, посвященных лазерным ускорителям электронов, позволяет сформулировать несколько актуальных задач в этой области:

• обеспечение ускорения электронов интенсивным лазерным излучением в области, достаточно длинной для многократного увеличения энергии частиц.

Эффективное ускорение электронов при их однократном прохождении через фокальную область достигается в схеме лазерного ускорения в присутствии постоянного магнитного поля. Эта схема изучается в первой главе диссертации.

II. Лазеры на свободных электронах (ЛСЭ) отличаются от других лазеров уникальными возможностями перестройки частоты излучения. Они особенно привлекательны для использования в тех диапазонах частот, где затруднено создание других типов лазеров — в дальнем ИК (длина волны свыше ЗОмкм), УФ и мягком рентгеновском диапазонах. Использование ЛСЭ ограничено в силу их высокой стоимости и больших размеров, составляющих десятки метров. Поэтому усилия многих научных групп направлены на создание компактных и дешевых ЛСЭ. Необходимой частью этих исследований является поиск компактных схем передачи энергии от пучка электронов к лазерному излучению. Предложены различные схемы компактных лазеров на свободных электронах:

• ЛСЭ на вынужденном излучении Вавилова-Черенкова [62-71];

• ЛСЭ на эффекте Смита-Парселла [72-92] (ЛСЭ СП), т.е. на эффекте излучения света электронами, проходящими над дифракционной решеткой [93];

• ЛСЭ на объемной дифракционной решетке [95, 96];

• ЛСЭ на вынужденном переходном излучении электронов, проходящих через среду с пространственно модулированным показателем преломления: о ЛСЭ на сверхрешетке [97-118]; о ЛСЭ на модуляции показателя преломления плазмы [115-118];

• ЛСЭ на плазменном ондуляторе: о ЛСЭ, в котором осцилляции электронов происходят в ионном канале в плазме [120-126], в том числе, ЛСЭ на модуляции профиля ионного канала [125-126]; о ЛСЭ, на ионной акустической волне в плазме [119]; о ЛСЭ на ионном канале в плазме [120-126] (включая ЛСЭ с модулированным профилем ионного канала [125-126]); о ЛСЭ на кильватерной волне в плазме [127]; о ЛСЭ на ленгмюровской волне в плазме [128-130]; о ЛСЭ на поперечной электромагнитной волне в плазме [131];

• оптический клистрон, состоящий из двух ондуляторов с областью фазового перераспределения электронов между ними [132, 133].

Во второй и третьей главах диссертации представлены результаты исследований двух типов лазеров на свободных электронах: ЛСЭ на эффекте Смита-Парселла и ЛСЭ на среде с пространственно модулированным показателем преломления.

1. ЛСЭ на эффекте Смита-Парселла осуществляет усиление излучения, падающего на дифракционную решетку, над которой направляют пучок электронов.

ЛСЭ СП реализованы в СВЧ- и в ИК-диапазонах частот [72, 73]. В ИК-области осуществлена генерация излучения в диапазоне 300 - 900 мкм при мощности излучения порядка 10 нановатт [73].

К преимуществам ЛСЭ СП можно отнести:

• малый период дифракционной решетки, что позволяет осуществлять генерацию коротковолнового излучения с использованием низкоэнерге-тичных пучков электронов;

• отсутствие среды, вызывающей рассеяние электронов.

Коэффициент усиления ЛСЭ СП ограничен из-за эффектов насыщения и из-за того, что электронный пучок должен распространяться вблизи дифракционной решетки. Различными исследователями предприняты усилия для поиска условий, при которых коэффициент усиления ЛСЭ СП максимален. С этой целью изучались альтернативные механизмы генерации излучения в ЛСЭ СП, связанные с дифракцией излучения на регулярных неоднородностях плотности электронного пучка [79] и дифракцией электронов на кристаллическом материале решетки [80]. Были подробно изучены условия усиления в волноводе [88], оптимизированы профиль дифракционной решетки [89] и направление распространения усиливаемой волны [92].

В теории ЛСЭ СП с релятивистским пучком электронов имеются пробелы. Многие авторы не учитывают влияния магнитного поля и поперечной составляющей электрического поля усиливаемой волны на динамику электронов. Корректное описание динамики электронного пучка, представленное в диссертации и в работе [92], необходимо для детального понимания условий ускорения при использовании релятивистских электронов.

Имеется ряд нерешенных вопросов, важных для создания и совершенствования ЛСЭ СП:

• повышение мощности, ограниченной из-за малой, порядка нескольких длин волн, ширины электронного пучка;

• поиск условий, при которых коэффициент усиления за проход компактного ЛСЭ СП достигает единицы в ИК-, оптическом и УФ-диапазонах частот;

• расчет коэффициента усиления ЛСЭ СП на релятивистском электронном пучке с учетом влияния на динамику пучка магнитного поля и поперечной составляющей электрического поля лазерной волны.

Решению последних двух задач посвящена вторая глава диссертации.

2. ЛСЭ на среде с пространственно модулированным показателем преломления основан на взаимодействии пучка электронов со световой волной внутри объемной дифракционной решетки, роль которой играет модулированная среда. В качестве модулированной среды может выступать либо твердотельная пространственно-периодическая структура, состоящая из слоев материалов с различными показателями преломления [97-118], либо плазма [116-131]. По сравнению с ЛСЭ СП, такой лазер обладает преимуществом в мощности. Оно обусловлено отсутствием принципиальных ограничений на поперечные размеры электронного пучка.

В качестве прототипа ЛСЭ на сверхрешетке [97-118] можно рассматривать реализованный лазер на вынужденном переходном излучении электронного пучка, проходящего через кристаллическую пластину [97]. В этом эксперименте наблюдалось дополнительное усиление вынужденного переходного излучения в результате интерференции волн, образовавшихся на переднем и заднем краях пластины.

Созданию ЛСЭ на среде с периодически модулированным показателем преломления препятствуют технические и физические трудности. Принципиально важна возможность преодоления этих трудностей, которая обуславливает осуществимость компактных ЛСЭ. Хотя целью диссертации не является исследование соответствующих ограничений, опишем некоторые препятствия к созданию компактных ЛСЭ и подходы к преодолению. Трудности в создании ЛСЭ на среде с пространственно модулированным показа-етлем преломления связаны с рассеянием электронного пучка в среде [134137], разрушением модуляции среды под воздействием электронного пучка, поглощением и рассеянием усиливаемого излучения в среде, на ее границах и зеркалах, со сложностью созданием газоплазменных сред с периодически модулированным показателем преломления. Рассеяние электронов в среде обуславливает необходимость использования релятивистских электронных пучков, что ограничивает возможности для перестройки частоты излучения ЛСЭ. Образование плазмы при столкновительной ионизации атомов среды электронным пучком оказывает влияние на распространение электронного пучка, изменяет фазовые скорости электромагнитных волн, и со-провождатся возбуждением различных плазменных колебаний в среде.

Эти проблемы имеют свои решения [98-110], [138-147]. В работах [103110] были изучены условия, при которых рассеяние электронного пучка, проходящего через твердотельную пространственно-периодическую структуру, не оказывает существенного влияния на спектр излучаемого света. Было показано, что для уменьшения рассеяния в сверхрешетке необходимо использовать электронные пучки с большой энергией, 7 1. Поэтому парциальные плоские волны с низкой фазовой скоростью, соответствующей 7 ~ 1, не могут быть эффективно использованы для обмена энергией с электронами.

Влияние плазмы, образующейся при прохождении через газ электронного пучка, на работу ЛСЭ обсуждается в работах [138-147]. Было показано [143, 144], что неконтролируемое возникновение плазмы в ЛСЭ с ондулятором, заполненным водородом, может быть уменьшено добавлением к водороду специальных присадок — газов, имеющих высокое сродство к электронам. Это позволило использовать для работы в заполненном газом ЛСЭ пучок электронов с энергией 36 МэВ при давлении газа до 200 Topp, а в последующих экспериментах — до 950 Topp. В экспериментах [143, 144] длина ондулятора составляла приблизительно 1 м. При этом не было обнаружено эффектов, связанных с влиянием плазмы, образованной при прохождении пучка в газе, на динамику самого электронного пучка.

Основное внимание в диссертации сконцентрировано на описании нелинейной динамики электронов в ЛСЭ под действием усиливаемой волны. Анализ нелинейной динамики необходим для определения теоретического максимального коэффициента усиления, соответствующего ему поля насыщения, эффективности и других параметров ЛСЭ. Особый интерес представляет теоретический анализ ЛСЭ на периодически модулированной среде в режиме глубокой модуляции показателя преломления. Такой режим перспективен для повышения коэффициента усиления ЛСЭ, для расширения возможностей перестройки частоты генерации ЛСЭ и для повышения времени существования модуляции в среде.

Таким образом, актуальность исследований, представленных в диссертации, обусловлена:

• необходимостью оптимизации геометрической конфигурации ЛСЭ на эффекте Смита-Парселла с целью нахождения максимального коэффициента усиления при наклонном падении лазерного излучения на дифракционную решетку;

• необходимостью развития теории ЛСЭ на эффекте Смита-Парселла, учитывающей релятивистскую динамику электронного пучка в поперечном электромагнитном поле лазерной волны;

• перспективностью использования режима глубокой модуляции показателя преломления в ЛСЭ для поддержания высокого коэффициента усиления при перестройке частоты в широком диапазоне; • необходимостью создания метода лазерного ускорения электронов, позволяющего использовать лазерное излучение высокой интенсивности.

Цель работы

Целью работы является теоретический анализ и оптимизация условий работы компактного лазерного ускорителя электронов и компактных лазеров на свободных электронах.

Научная новизна

2. Найден коэффициент усиления лазера на свободных электронах, основанного на эффекте Смита-Парселла в схеме с наклонным падением усиливаемой волны на дифракционную решетку. Проведена оптимизация коэффициента усиления по периоду решетки и углу падения усиливаемого излучения на дифракционную решетку.

Защищаемые положения

2. В лазере на свободных электронах на эффекте Смита-Парселла коэффициент усиления за проход в ИК-диапазоне частот может быть увеличен путем выбора оптимального периода дифракционной решетки и оптимального угла падения излучения на решетку.

Практическая ценность работы

1. Предлагаемый метод лазерного ускорителя электронов может быть использован для создания компактного лазерного ускорителя, рассчитанного на энергии в несколько десятков или сотни МэВ.

2. Результаты, полученные при анализе работы компактных лазеров на свободных электронах, показали пути увеличения коэффициента усиления и расширения спектрального диапазона перестройки ЛСЭ. Полученные результаты свидетельствуют, что компактные ЛСЭ на эффекте Смита-Парселла и ЛСЭ на среде с периодически модулированным показателем преломления могут работать в ИК-, видимом и ближнем УФ- диапазонах длин волн при плотности тока электронного пучка ] = 5 — 50 А/см2 и релятивистском факторе электронов 7 ~ 2.5 — 30. Определены требования к качеству электронного пучка. Полученные результаты могут послужить основой для инженерных расчетов при создании таких лазеров.

Публикации и апробация работы

Результаты диссертации изложены в 8 статьях, опубликованных в отечественных и зарубежных журналах. По материалам диссертации сделаны доклады на 7 научных конференциях (см стр. 132). Результаты диссертации обсуждались на семинаре по многофотонным процессам, руководитель Н.Б. Делоне и на семинаре отдела колебаний ИОФ РАН.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка цитируе

Заключение диссертации по теме "Лазерная физика"

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ

Показано, в частности, что средняя энергия пучка электронов удваивается после прохождения через фокус при интенсивности излучения СО2 лазера I = 1016 Вт/см2, длине и ширине фокуса Ь = 4мм и 6, — 0.2 мм, напряженности постоянного магнитного поля Но = 5 кГс и начальной энергии электронов £о = 10 МэВ.

При заданных начальной энергии и ширине энергетического распределения пучка электронов, коэффициент усиления оптимизирован по периоду решетки и углу падения лазерного излучения на решетку. Показано, в частности, что в ИК-диапазоне при длине волны А = 12мкм коэффициент усиления за проход может достигать величины, достаточной для создания лазера (С = 12%), при плотности тока пучка ] = 50 А/см2, энергии электронов Ео = 2 МэВ, длине решетки Ь = 10 см, периоде решетки Ао = 0.025 см, угле фокусировки излучения 50 ~ (А/1/)1/2 = 0.1 рад и угле падения #~7г/2 — 50 ~ 1.47 рад.

120

Определены условия, при которых коэффициент усиления за проход достигает величины порядка единицы:

• в схеме с газоплазменной средой в ИК-диапазоне при частоте излучения ш ~ ^ртах ~ 3 • 1014с-1, где сь>ртах —- плазменная частота в области максимальной ионизации среды, при плотности тока пучка ] = 50 А/см2, энергии электронов £о — 2 ч- 3.5 МэВ и длине среды Ь = 10см;

• в схеме со сверхрешеткой в видимом и УФ-диапазонах, при частоте ш = 2-1015с-1 -Ь 1016с-1, плотности тока пучка 3 — 10 А/см2, энергии электронов €0 = 1.2 МэВ и длине сверхрешетки Ь = 0.5 см.

• в схеме с газоплазменной средой увеличить период модуляции, что повышает время существования модуляции;

Заключение

Список источников диссертации и автореферата по физике, кандидата физико-математических наук, Артемьев, Александр Игоревич, Москва

1. Т. Tajima, J.M. Dawson — "An Electron Accelerator Using a Laser", IEEE Trans. Nucl. Sci., Vol. NS-26, p. 4188 (1979);

2. T. Tajima, J.M. Dawson — "Laser Electron Accelerator" — Phys. Rev. Lett., Vol. 43, p. 267 (1979);

3. A.M. Sessler — "Frontiers of Particle Beam Physics", Physics of Fluids В Plasma Physics, Vol. 2, N 6, pp. 1325-1330 (1990);

4. K. Nakajima, "Laser Accelerator Developments for Future High-Energy Accelerators", Nucl. Instr. &; Meth. Phys. Res. Section A Acceler. Spectr. Det. and Assoc. Equipm., Vol. 410, N 3, pp. 514-519 (1998);

5. C.E. Clayton, C. Joshi, C. Darrow, D. Umstudler — "Relativistic plasma-wave excitation by collinear optical mixing", Phys. Rev. Lett., Vol. 54, pp. 2343-2346 (1985);

6. C.E. Clayton, C. Joshi, C. Darrow, and D. Umstadter, — "Relativistic Plasma Wave Excitation by Collinear Optical Mixing", Phys. Rev. Lett., Vol. 54, p. 2343 (1985).

7. F. Amiranoff, D. Bernard, B. Cros, F. Jacquet, G. Matthieussent, P. Mine, P. Mora, J. Morillo, F. Moulin, A.E. Specka, and C. Stenz — "Electron acceleration in Nd-laser plasma beat-wave experiments", Physica Scripta, Vol. 63, p. 126 (1996);

8. Cern Intranet Pages http://wwwsearch.cern.ch:8765/ http://www.cern.ch/accelconf/p95/ARTICLES/WAG/WAG07.PDF

9. E. Esarey, B. Hafizi, R. Hubbard, A. Ting — "Trapping and Acceleration in Self-Modulated Laser Wakefields", Physical Review Letters, Vol. 80, N 25, pp. 5552-5555 (1998);

10. Г.А.Аекарьян — "Ускорение заряженных частиц ульракоротким световым импульсом, создающим фронт пространственного заряда на оси в канале среды", Письма в ЖЭТФ, Том 52, N 6, стр. 943-945 (1990);

11. Т. Katsouleas, J.M. Dawson — "Unlimited Electron Acceleration in Laser-Driven Plasma Waves", Phys. Rev. Lett., Vol. 51, N 5, pp. 392-395 (1983);

12. K. Shimoda, — "Proposal for an Electron Accelerator Using an Optical Maser", Applied Optics 1, N 1, pp. 33-36 (1962);

13. G. A. Nagorsky — "Laser Acceleration of Particles Using Resonance Transition Radiation", Nucl. Instr. & Meth. Phys. Res. Section A Acceler. Spectr. Det. and Assoc. Equipm., Vol. 248, pp. 31-38 (1986);

14. M. Laberge, J. Meyer — "Electron Acceleration in a Plasma-Wave Above a Laser-Irradiated Grating", Physics of Fluids В Plasma Physics, Vol. 4, N 7, pp. 1972-1978 (1992);

15. K. Nakajima, "Plasma-Wave Resonator for Particle-Beam Acceleration", Phys. Rev. A, Vol. 45, N 2, pp. 1149-1156 (1992);

16. C.E. Clayton, K.A. Marsh, A. Dyson, M. Everett, A. Lai, W.P. Leemans, R. Williams, C. Joshi — "Ultrahigh-Gradient Acceleration of Injected Electrons by Laser-Excited Relativistic Electron-Plasma Waves", Phys. Rev. Lett., Vol. 70, N 1, pp. 37-40 (1993);

17. N. Barov, J. В. Rosenzweig, M. E. Conde, W. Gai, and J. G. Power — "Observation of plasma wake field acceleration in the underdense regime", Phys. Rev. ST Accel. Beams, Vol. 3, paper N 011301 (2000);

18. Brookhaven National Laboratory, Accelerator Test Facility Report, —■ "Inverse Cerenkov Accelerator Experiment (ICAE)",http://www.nsls.bnl.gov/AccTest/experiments/ica/icahome.html

19. A.V. Smirnov — "Far-Field Acceleration Scheme", Cern Intranet Pages http://wwwsearch.cern.ch:8765/ http://www.cern.ch/accelconf/e98/PAPERS/MOP17G.PDF

20. А.А. Варфоломеев, Ю.Ю. Лачин, — "Ускорение ультрарелятивистских электронов лазерной волной в поле ондулятора", ЖТФ, Том 56, N 11, стр. 2122-2131 (1986);

21. А.А. Varfolomeev, Yu.Yu. Lachin — "Noncollinear FEL and Inverse FEL Schemes", Nucl. Instr. & Meth. Phys. Res. Section A Acceler. Spectr. Det. and Assoc. Equipm., Vol. 296, N 1-3, pp. 411-416 (1990);

22. А.А. Варфоломеев — "Ускорение частиц лазерным полем в периодическом резонаторе", ЖТФ, Том. 60, N 6, стр. 97-102 (1990);

23. T.C. Marshall, A. Bhattacharjee, S.Y. Cai, Y.P. Chou, I. Wernick "Inverse FEL Accelerator - Experiment and Theory", Nucl. Instr. & Meth. Phys. Res. Section A -Acceler. Spectr. Det. and Assoc. Equipm., Vol. 304, N 1-3, pp. 683-686 (1991);

24. B.B. Тихомиров, А.А. Хрущинский, — 'Трехмерное моделирование лазерного ускорения в обращенном лазере на свободных электронах", ЖТФ, Том 61, N 6, стр. 147154 (1991);

25. Brookhaven National Laboratory, Accelerator Test Facility Report, — "Inverse FEL Experiment",http: //www. nsls .bnl. go v / AccTest/experiments/ifel/ifel. html

26. A. van Steenbergen, J. Gallardo, J. Sandweiss, J.-M. Fang, M. Babzien, X. Qiu, J. Skaritka and X.J. Wang, — "Observation of Energy Gain at the BNL Inverse Free-electron-Laser Accelerator", Phys. Rev. Lett., Vol. 77, p. 2690 (1996);

27. V.V. Apollonov, Yu.I. Kalachev, A.M. Prokhorov, M.V. Fedorov — "Inverse Noncollinear Compton Laser As a Device for Acceleration of Electrons", Applied Physics Letters, Vol. 49, N 24, pp. 1668-1669 (1986);

28. V.V. Apollonov, M.V. Fedorov, Yu.L. Kalachev, A.M. Prokhorov, "Electron Acceleration in Stimulated Compton-Scattering", JETP Letters, Vol. 44, N 2, pp. 75-77 (1986);

29. L. Feng, Y.K. Ho — "Laser-Induced Electron Acceleration in a Counterpropagating RF Field", Physical Review E, Vol. 47, N 4, pp. R2277-R2280 (1993);

30. S. Takeuchi, R Sugihara — "Proposal for Electron Acceleration by 2 Collinear, Overlapping Laser-Beams", Physical Review E, Vol. 58, N 6, pp. 7874-7877 (1998);

31. S. Takeuchi, R Sugihara — "Electron Acceleration by Single and Double Laser-Beams", Nucl. Instr. & Meth. Phys. Res. Section A Acceler. Spectr. Det. and Xssoc. Equipm., Vol. 410, N 3, pp. 505-508 (1998);

32. A. Ts. Amatuni, I. V. Pogorelsky, "Nonlinear Compton scattering and electron acceleration in interfering laser beams", Phys. Rev. ST Accel. Beams, Vol. 1, paper N 034001 (1998);

33. S. Takeuchi, M. Matsumoto, K. Sakai, R. Sugihara "A TE-Mode Accelerator", IEEE Transaction on Plasma Sci., Vol. 15, N 2, pp. 251-255 (1987);

34. F. Caspers, E. Jensen — "Particle acceleration with the axial electric field of a TEM 10 mode laser beam", CERN report /PS 89-69 (RF/OP) December 19, (1989);

35. E.J. Bochove, G.T. Moore, M.O. Scully — "Acceleration of Particles by an Asymmetric Hermite-Gaussian Laser Beam", Physical Review A, Vol. 46, N 10, pp. 6640-6653 (1992);

36. A. Loeb, L. Friedland — "Autoresonance laser accelerator" Phys. Rev. A, Vol. 33, pp. 1828-1835 (1986);

37. A. Loeb, S. Eliezer, L. Friedland — "Autoresonance Laser Acceleration of Guided Quasineutral Electron-Positron Beams", Physical Review A, Vol. 35, N 4, pp. 16921696 (1987);

38. C.P. Chen — "Theory of Electron-Cyclotron-Resonance Laser Accelerators", Physical Review A, Vol. 46, N 10, pp. 6654-6661 (1992);

39. A. Loeb, S. Eliezer, L. Friedland — "Autoresonance Laser Acceleration of Guided Quasineutral Electron-Positron Beams", Physical Review A, Vol. 35, N 4, pp. 16921696 (1987);

40. A. Loeb, L. Friedland — "The Nonlinear Dynamics of Dense Electron-Beams in the Autoresonance Laser Accelerator", Physics Letters A, Vol. 129, N 5-6, pp. 329-332 (1988);

41. R.Paktera, I.L.Caldasa, F.Coutob, T.S. Caetanob, F.B.Rizzato — "Space-Charge Effects in the Cyclotron-resonance Laser Accelerator",http: //www.cern.ch/accelconf/e96/PAPERS/TUPG/TUP057G .PDF

42. J. L. Hirshfield, Changbiao Wang "Cyclotron Autoresonance Accelerator for Electron Beam Dry Scrubbing of Flue Gases", http://www.triumf.ca/pac97/papers/pdf/8P109.PDF

43. Wernick, Iddo, T.C. Marshall — "An Inverse FEL Autoaccelerator Experiment", Nucl. Instr. & Meth. Phys. Res. A, Vol. 318, p. 754 (1992);

44. A. Loeb, S. Eliezer — "Free-Electron Laser and Laser Electron Acceleration Based on the Megagauss Magnetic-Fields in Laser-Produced Plasmas", Phys. Rev. Lett., Vol. 56, N. 21, pp. 2252-2255 (1986);

45. A. Loeb, S. Eliezer, L. Friedland — "Acceleration of Electron-Positron Plasmas to High-Energies", IEEE Transaction on Plasma Sci., Vol. 15, N 2, pp. 238-242 (1987);

46. S. Takeuchi, M. Matsumoto, K. Sakai, R. Sugihara — "Unlimited Acceleration of a Charged-Particle by an Electromagnetic-Wave with a Purely Transverse Electric Field", Physics Letters A, Vol. 122, N 5, pp. 257-261 (1987);

47. K. Sakai, S. Takeuchi, M. Matsumoto — "Relativistic Theory of Particle-Acceleration by an Obliquely Propagating Electrostatic Wave in a Static Magnetic-Field", Journal of the Physical Society of Japan, Vol. 61, N 7, pp. 2287-2293 (1992);

48. A.A. Chernikov, G. Schmidt, A.I. Neishtadt — "Unlimited Particle-Acceleration by Waves in a Magnetic-Field", Physical Review Letters, Vol. 68, N 10, pp. 1507-1510 (1992);

49. B.B. Аполлонов, А.И. Артемьев, Ю.Л. Калачев, A.M. Прохоров, М.В. Федоров — "Ускорение электронов в сильном лазерном поле и постоянном поперечном магнитном поле", Письма в Журнал Экспериментальной и Теоретической Физики, т. 47, N 2, стр. 77-79 (1988);

50. S. Kawata, A.Manabe, S.Takeuchi — "High-Energy Electron Production by an Electromagnetic-Wave with a Static Magnetic-Field", Japanese Journal of Applied Physics, Part 2, Letters, Vol. 28, N 4, pp. L704-L706, (1989);

51. S. Takeuchi — "Cross-Field Acceleration by Elliptically Polarized Electromagnetic-Wave", Journal of the Physical Society of Japan, Vol. 58, N 5, pp. 1604-1610 (1989);

52. V.V. Apollonov, M.V. Fedorov, A.G. Suzdaltsev — "Acceleration of Electrons by Focused Laser Radiation Combined with a Static Homogeneous Magnetic Field — the Search for the Optimum Geometry", Laser Physics, Vol.1, N 6, pp. 662-669 (1991).

53. A. Gover, A. Jariv, P. Yeh — "Prospectives of Free Electron Lasers", Optics Communications, Vol. 18, N 2, pp. 221-222 (1976);

54. W. Becker, J.K. Mclver — "Quantum Theory of Stimulated Cherenkov Radiation", Phys. Rev. A, Vol. 25, N 2, pp. 956-963 (1982);

55. W. Becker, J.K. Mclver — "Classical theory of stimultated Cherenkov radiation", Phys. Rev. A, Vol. 31, N 2, pp. 783-789 (1985);

56. K.F. Casey, C. Yetch — "Transition radiation in a periodically stratified plasma" — Phys. Rev. A, Vol. 2, pp. 810-818 (1970);

57. K.F. Casey, C. Yetch, K. Kaprielian — "Cerenkov radiation in inhomogeneous periodic media" Phys. Rev. B, Vol. 140, pp. 768-775 (1965);

58. C. Elachi — "Cerenkov and transition radiation in space-tirne periodic media," Journ. Appl. Phys., Vol. 43, pp. 3719-3723 (1972);

59. E.E. Fisch, J.E. Walsh, A.K. Henning, M.F. Kimmitt — "The Semiconductor Cherenkov Laser", Nucl. Instr. & Meth. Phys. Res. Section A Acceler. Spectr. Det. and Assoc. Equipm., Vol. 304, N 1-3, pp. 679-682 (1991);

60. E.E. Fisch, J.E. Walsh — "Operation of the Sapphire Cerenkov Laser", Applied Physics Letters, Vol. 60, N 11, pp. 1298-1300 (1992);

61. E.E. Fisch, J.E. Walsh — "Operation of the Sapphire Cerenkov Laser", Applied Physics Letters, Vol. 60, N 11, pp. 1298-1300 (1992);

62. T. Shiozawa, T. Yoshitake — "Efficiency Enhancement in a Cherenkov Laser Loaded with a Kerr-Like Medium," IEEE Journal of Quantum Electronics, Vol. 31, N 3, pp. 539-545 (1995);

63. D.E. Wortman, R.P. Leavitt, H. Dropkin, C.A. Morrison, — "Geneation of millimeter-wave radiation by menas of Smith-Purcell free-electron laser", Phys. Rev., Vol. 24, pp. 1150-1153, (1981);

64. J. Urata, M. Goldstein, M.F. Kimmitt, A. Naumov, C. Piatt, J.E. Walsh — "Superradiant Smith-Purcell Emission", Phys. Rev. Lett., Vol. 80, N 3, pp. 516-519 (1998);

65. A. Yariv, C.C. Shin, "Amplification of Radiation by Relativistic Electrons in Spatially Periodic Optical Waveguides", Optics Communications, Vol. 24, N 2, pp. 233-236, (1978);

66. A. Gover, Z. Livni — "Operation regimes of Cerenkov — Smith-Purcell Free Electron Lasers and T.W. Amplifiers", Optics Communications, Vol. 26, N 3, pp. 375-380 (1978);

67. J.M. Wachtel — "Free Electron Lasers Based on the Smith-Purcell Effect", Journal of Applied Physics, Vol. 50, N 1, pp. 49-56, (1979);

68. J.E. Walsh, J.L. Buller, B. Johnson, G. Datolli, F. Ciocci "Metal-Grating Far-Infrared Free-Electron Lasers", IEEE Journ. of Quantum Electron., Vol. QE-21, pp. 920923 (1985);

69. F.J. Crowne, R.P. Leavitt, T.L. Worchesky, — "Exactly Solvable Nonlinear Model for a Smith-Purcell Free-Electron Laser", Phys. Rev. A, Vol. 24, pp. 1154-1157 (1981);

70. L. Schachter, A. Ron — "Smith-Purcell free-electron laser" Phys. Rev. A, Vol. 40, M 2, pp. 876-896 (1989);

71. D.B. Chang, J.C. McDaniel — "Compact short-wavelength free-electron laser", Phys. Rev. Lett., Vol. 63, pp. 1066-1069 (1989);

72. J.C. McDaniel, D.B. Chang, W.W. Salisbury, J.E. Drummond — "Sraith-Purcell Radiation in the High Conductivity and Plasma Frequency Limits", Applied Optics, Vol. 28, N 22, pp. 4924-4929 (1989);

73. I Shih, W.W. Salisbury, D.L. Masters, D.B. Chang — "Measurements of Smith-Purcell Radiation", Journal of The Optical Society of America В Optical Physics, Vol. 7, N 3, pp. 345-350 (1990);

74. I. Shih, D.B. Chang, J.E. Drummond, K.L. Dubbs, D.L. Masters, R.M. Prohaska, W.W. Salisbury — "Experimental Investigations of Smith-Purcell Radiation", Journal of The Optical Society of America В Optical Physics, Vol. 7, N 3, pp. 351-356 (1990);

75. D.B. Chang, J.C. McDaniel "Enhanced Bremsstrahlung from Electrons Traversing Periodic Targets", Journal of The Optical Society of America В Optical Physics Vol. 7, N 2, pp. 239-242 (1990);

76. I. Shih, D.B. Chang, J.E. Drummond, K.L. Dubbs, D.L. Masters, R.M. Prohaska, W.W. Salisbury — "Experimental Investigation of Radiation from the Interaction of an Electron-Beam and a Conducting Grating", Optics Letters, Vol. 15, N 10, pp. 559561 (1990);

77. B. Hafizi, P. Sprangle, P. Serafim, "Effect of Energy Spread and Gyromotion on Efficiency of a Smith-Purcell FEL", Nucl. Instr. & Meth. Phys. Res. Section A Acceler. Spectr. Det. and Assoc. Equipm., Vol. 318, N 1-3, pp. 560-563 (1992);

78. B. Hafizi, P. Sprangle, P. Serafim — "Nonlinear-Analysis of a Grating Free-Electron Laser", Phys. Rev. A, Vol. 45, N 12, pp. 8846-8853 (1992);

79. T. Thumvongskul, A. Hirata, T. Shiozava, "A Compact Smith-Purcell Free-Electron Laser with a Bragg Cavity", IEICE Transactions on Electronics, Vol. E82-C, N 11, pp. 2094-2100 (1999);

80. V.G. Baryshevsky, "Volume Free Electron Lasers", Los Alamos E-print Arhive, http: / /xxx.lanl.gov/abs/physics/9806039

81. T. Shiozawa, M. Sata — "Efficiency Enhancement in a Smith-Purcell Free-Electron Laser," Applied Physics Letters Vol. 66, N 2, pp. 124-126 (1995);

82. A. Hirata, T. Shiozawa — "Efficiency Enhancement in a Cherenkov Laser by a Proper Permittivity Variation," Journal of Applied Physics, Vol. 82, N 12, pp. 5907-5912 (1997);

83. A.I. Artemyev, M.V. Fedorov, E.A. Shapiro, "Amplification in the Smith-Purcell Free-Electron Laser", Laser Physics, Vol. 4, pp. 1114-1119 (1994);

84. S.J. Smith, E.M. Purcell, "Visible Light from Localized Surface Charges Moving across a Grating", Phys. Rev., Vol. 92, p. 1069 (1953).;.

85. M.B. Федоров — "Электрон в Сильном Световом Поле", М.: Наука 1991 223 стр.;

86. V.G. Baryshevsky, I.Y. Dubovskaya, A.V. Zege — "X-Ray Free-Electron Laser in a Crystal as Distributed Feedback Resonator", Nucl. Instr. к Meth. Phys. Res. Section A Acceler. Spectr. Det. and Assoc. Equipm., Vol. 304, N 1-3, pp. 421-426 (1991);

87. H.C. Lihn, P. Kung., С. Settakron, H. Wiedemann, D. Bocek, M. Hernandez, "Observation of stimulated transition radiation," Phys. Rev. Lett., Vol. 76, pp. 4163-4166 (1996);

88. M.A. Piestrup, P.F. Finman — "The prospects of an X-ray free-electron laser using stimulated resonance transition radiation" — IEEE J. Quantum Electron., Vol. QE 19, pp. 357-364 (1983);

89. M.B Reid, M.A. Piestrup — "Resonance transition radiation X-Ray laser" — IEEE J. Quantum Electron., Vol. QE 27, pp. 2440-2455 (1991);

90. A.E. Kaplan, S. Datta, — "Extreme-ultraviolet and X-ray emission and amplification by nonrelativistic electron beams traversing a superlattice" — Applied Phys. Lett., Vol. 44, pp. 661-663 (1984);

91. А.П. Апанасевич, В.А. Ярмолкевич — "Резонансное Переходное Излучение и Особенности его Наблюдения в Многослойных Интерфереционных Структурах", ЖТФ Том 62, N 4, стр. 120-125 (1992);

92. Г.М. Гарибян, — "К теории образования рентгеновского переходного излучения в стопке пластин", ЖЭТФ, Том 60 (1), стр. 39-52 (1971);

93. M.A. Piestrup, D.G. Boyers, C.I. Pincus, J.L. Harris, X.K. Maruyama, J.C. Bergstrom, H.S. Caplan, R.M.Silzer D.M.Skopik, "Quasimonochromatic X-ray source using pho-toabsorption-edge transition radiation", Phys. Rev. A, Vol. 43, 3653-3661 (1991);

94. C.K. Gary, A.S. Fisher, R.H. Pantell, J. Harris, M.A. Piestrup "Channeling of Electrons in Si Produces Intense Quasimonochromatic, Tunable,. Picosecond X-Ray-Bursts", Phys. Rev. B, Vol. 42, N 1, pp. 7-14 (1990);

95. C.K. Gary, R.H. Pantell, M. Ozcan, M.A. Piestrup, D.G. Boyers, "Optimization of the channeling radiation source crystal to produce intense quasimonochromatic X rays," Journ. Appl. Phys., Vol. 70, pp. 2995-3002 (1991);

96. A.E. Kaplan, C.T. Law, P.L. Shkolnikov — "X-ray narrow-line transition radiation source based on low-energy electron beams traversing a multilayer nanostructure", Phys. Rev. E, Vol. 52, pp. 6795-6808 (1995);

97. Andre-JM Barchewitz-R Bonnelle-C Pardo-B "Prospects of Using Periodic Multilayer Structures as Source for X-UV Resonant Transition Radiation", Journal of Optics -Nouvelle Revue D Optique, Vol. 24, N 1, pp. 31-35, (1993);

98. C.S. Liu, V.K. Tripathi — "Short-Wavelength Free-Electron Laser Operation in a Periodic Dielectric", IEEE Transaction on Plasma Sci., Vol. 23, N 3, pp. 459-464 (1995);

99. Y.A. Malov, D.F. Zaretsky — "A Superlattice as an Undulator," Nucl. Instr. & Meth. Phys. Res. Section A Acceler. Spectr. Det. and Assoc. Equipm., Vol. 358, N 1-3, pp. 11-13 (1995);

100. L.S. Grigorian, A.H. Mkrtchyan, A.A. Saharian — "Transition Radiation in an Ultrasonic Superlattice", Nucl. Instr. & Meth. Phys. Res. Section B-Beam Inetractions with Materials and Atoms, Vol. 145, N 1-2, pp. 197-202 (1998);

101. M.V. Fedorov, E.A. Shapiro, "Free-electron lasers based on media with periodically modulated refractive index," Laser Physics, Vol. 5, pp. 735-739 (1995);

102. A.I. Artemyev, M.V. Fedorov, J.K. Mclver, E.A. Shapiro — "Nonlinear theory of a free-electron laser exploiting media with periodically modulated refractive index," IEEE J. Quantum Electron., Vol. QE 34, 24-31 (1998);

103. V.V. Apollonov, A.I. Artemyev, M.V. Fedorov, J.K. Mclver, E.A. Shapiro — "Gasplasma and superlattice free-electron lasers exploiting a medium with periodically modulated refractive index," Laser and Particle Beams, Vol. 16, pp. 267-276 (1998);

104. R.N. Agrawal, V.K. Tripathi — "Ion-acoustic-wave pumped free-electron laser," IEEE Trans. Plasma Sci., Vol. 23 788-791, (1995);

105. R.A. Bosch, R.M. Gilbenbach, "Undulation of a Magnetized Electron-Beam by a Periodic Ion Channel", Phys. Fluids, Vol. 31, N 10, pp. 3127-3129 (1988);

106. D.H. Whittum, A.M. Sessler, J.M. Dawson — "Ion-Channel Laser," Physical Review Letters, Vol. 64, N 21, pp. 2511-2514 (1990);

107. K.R. Chen, J.M. Dawson "Ion-ripple laser", Phys. Rev. Lett., Vol. 68, pp. 29-32 (1992);

108. K.R. Chen, J.M. Dawson — "Amplification mechanism of ion-ripple lasers and its possible applications", IEEE Trans. Plasma Sci., Vol. 21, pp. 151-155 (1993);

109. K. Nakajima, M. Kando, T. Kawakubo, T. Nakanishi, A. Ogata — "A table-top X-ray FEL based on laser wakefield accelerator-undulator system" — Nucl. Instr. & Meth. Phys. Res. A, Vol. 375, pp. 593-596 (1996);

110. V.A. Bazylev, T.J. Schep, A.V. Tulupov — "Short-Wavelength Free-Electron Lasers with Periodic Plasma Structures", Jorn. of Phys. D Appl. Phys., Vol. 27, pp. 24662469 (1994);

111. V.A. Bazylev, V. Goloviznin, M.M. Pitatelev, A.V. Tulupov, T.J. Schep — "On the possibility of construction of plasma undulators" — Nucl. Instr. & Meth. Phys. Res. A, Vol. 358, pp. 433-436 (1995);

112. N.I. Karbushev — "Free-electron lasers with static and dynamic plasma wigglers" — Nucl. Instr. k Meth. Phys. Res. A, Vol. 358, pp. 437-440 (1995);

113. D.J. Gregoire, R.J. Harvey —■ "The Electromagnetic-Wiggler Harmonic Amplifier FEL", Nucl. Instr. & Meth. Phys. Res. Section A Acceler. Spectr. Det. and Assoc. Equipm., Vol. 318, N 1-3, pp. 741-744 (1992);

114. R. Bonifacio, L.D. Souza, B.W.J. McNeil — "Emittance Limitations in the Free-Electron Laser", Optics Communications, Vol. 93, N 3-4, pp. 179-185 (1992);

115. B. Hafizi, C.W. Roberson — "Effect of Emittance and Energy Spread on a Free-Electron Laser in the Gain-Focusing Regime", Phys. Rev. Lett., Vol. 68, N 24, pp. 3539-3542 (1992);

116. C.W. Roberson, B. Hafizi — "Free-Electron Laser Scaling with Emittance and Energy Spread", Nucl. Instr. & Meth. Phys. Res. Section A Acceler. Spectr. Det. and Assoc. Equipm., Vol. 331, N 1-3, pp. 365-370 (1993);

117. Bosch-RA Bidwell-SW Gilgenbach-RM Current Clamping in a Long Pulse Electron Beam-Gas Interaction IEEE Transaction on Plasma Sci., Vol. 16, N 4, pp. 428-432 (1988);

118. R.F. Lucey, J.D. Miller, R.M. Gilgenbach, J.E. Tucker, R.A. Bosch "Transport and Stability of Long-Pulse Relativistic Electron-Beams in UV Laser-Induced Ion Channels", Physics of Fluids B Plasma Physics, Vol. 1, N 2, pp. 430-434 (1989);

119. A.S. Fisher, T.L. Deloney, J. Feinstein, W.M. Grossman, R.H. Pantell, M.B. Reid -"Picosecond Beam Propagation for Gas-Loaded Free-Electron Lasers", Nucl. Instr. &

120. Meth. Phys. Res. Section A Acceler. Spectr. Det. and Assoc. Equipm., Vol. 250, N 1-2, pp. 337-341 (1986);

121. J. Feinstein, A.M. Fauchet, R.H. Pantell "Prospects for Visible and VUV Free-Electron Lasers Using Dielectric Resonance", IEEE Journal of Quantum Electronics, Vol. 22, N 5, pp. 587-589 (1986);

122. J. Feinstein, A.S. Fisher, M.B. Reid, A. Ho, M. Ozcan, H.D. Dulman, R.H. Pantell -"Experimental results on a Gas-Loaded FEL", Phys. Rev. Lett., Vol. 60, pp. 18-20, (1988);

123. M.B. Reid, A.S. Fisher, J. Feinstein, A.H. Ho, M. Ozcan, H.D. Dulman, Y.J. Lee, R.H. Pantell — "Experimental elimination of plasma effects in a Gas-Loaded FEL", Phys. Rev. Lett., Vol. 62, pp. 249-252, (1989);

124. A.S. Fisher, R.H. Pantell, J. Feinstein, T.L. Deloney, M.B. Reid — "Propagation of a Picosecond-Duration, Relativistic Electron-Beam Through Hydrogen at Atmospheric Pressures", Journal of Applied Physics, Vol. 64, N 2, pp. 575-580 (1988);

125. R.H. Pantell, M. Ozcan — "Gas-Loaded Free-Electron Lasers", Physics of Fluids В -Plasma Physics, Vol. 2, N 6, pp. 1311-1312 (1990);

126. M. Ozcan, R.H. Pantell, J. Feinstein, A.H. Ho — "Gas-Loaded Free-Electron Laser Experiments on the Stanford Superconducting Accelerator", IEEE Journal of Quantum Electronics, Vol. 27, N 2, pp. 171-173 (1991);

127. M.Born, E.Wolf, — "Principles of Optics", Pergamon Press, Oxford, London, Edinburg, New York, Paris, Frankfurt (1964);

128. Л.Д. Ландау, E.M. Лифшиц, "Теория Поля", M.: Наука 1973 - 504 стр.;

129. S. Datta, С.Т. Chan, К.М. Но, С.М. Soukoulis "Photonic Band-Gaps in Periodic Dielectric Structures - The Scalar-Wave Approximation", Physical Review В - Condensed Matter, Vol. 46, N 17, pp. 10650-10656 (1992);

130. G. Ramian, J. Kaminski, S.J. Allen, "First Lasing of the UCSB 30 /шi Free-Electron Laser", Talk МО C01 06, Book of Abstracts, 18-th International Free-Electron Laser Conference FEL'96, Roma-Palazzo Brancaccio, August 26-30, (1996);

131. M.L. Ter-Mikaelian, High-Energy Electromagnetic Processes in Condensed Media, Wiley Interscience, New-York, (1972);

132. R.R. Mitchel, L.J. Denis, L.E. Kline, "Electrode Surface Field and Preionization Effects on the Spatial Distribution of Arcs in СОг-laser discharges", Journ. Appl. Phys., Vol. 49, N 4, p. 2376-2379 (1978);

133. F.E.C. Culc, P.I. Shen, W.S. Grifm — "Acoustic Waves and Heating Due to Molecular Energy Trasfer in an Electric Discharge CO Laser", IEEE Journ. of Quant. Electron., Vol. QE-12, N 10, pp. 566-574 (1976);

134. А.А. Кучинский, — "Разработка и Исследование Импульсного СОг-Лазера, Возбуждаемого Самостоятельным Разрядом с Предионизацией Ультрафиолетовым Излучением", кандидатская диссертация, НИИ Электрофизической Аппаратуры им. Д.В. Ефремова, Ленинград: 1984;

135. P. Sprangle, Е. Esarey, В. Hafizi — Intense Laser-Pulse Propagation and Stability in "Partially Stripped Plasmas", Phys. Rev. Lett., Vol. 79, N 6, pp. 1046-1049 (1997);

136. M.V. Fedorov, — "Interaction of Intense Laser Light with Free Electrons", in series "Laser Science and Technology, an International Handbook", ed. By V.S. Letokhov, C.V. Shank, Y.R. Shen,H. Walther, Harwood Academic Publishers, Chur: 1991.

137. Публикации автора по теме диссертации

138. Основные результаты диссертации опубликованы в работах

139. В.В. Аполлонов, А.И. Артемьев, Ю.Л. Калачев, A.M. Прохоров, М.В. Федоров — "Ускорение электронов в сильном лазерном поле и постоянном поперечном магнитном поле", Письма в Журнал Экспериментальной и Теоретической Физики, Том. 47, N 2, стр. 77-79 (1988);

140. A.I. Artemyev, M.V. Fedorov, E.A. Shapiro, "Amplification in the Smith-Purcell Free-Electron Laser", Laser Physics, Vol. 4, pp. 1114-1119 (1994);

141. A.I. Artemyev, M.V. Fedorov, J.K. Mclver, E.A. Shapiro — "Nonlinear theory of a free-electron laser exploiting media with periodically modulated refractive index," IEEE J. Quantum Electron., Vol. QE 34, 24-31 (1998);

142. V.V. Apollonov, A.I. Artemyev, M.V. Fedorov, J.K. Mclver, E.A. Shapiro — "Gasplasma and superlattice free-electron lasers exploiting a medium with periodically modulated refractive index," Laser and Particle Beams, Vol. 16, pp. 267-276 (1998);

143. Доклады автора на конференциях

144. Основные результаты диссертации доложены на следующих конференциях: