Самосогласованная кубически нелинейная теория параметрических и супергетеродиных лазеров на свободных электронах тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.04 ВАК РФ

Пй У»

1 6 АНЯ П

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ УКРАИНЫ УкРЛГ'-ЙУкСКШ ГОСУДАРСТВЕННЫЕ УНИВЕРСИТЕТ

г,, - На правах рукописи

■е.;. : УДК 621.375.7

--------Хулздюа Сергей Александрович

САМОСОГЛАСОВАННАЯ КУБИЧЕСШ-КЕМЕйНАЯ ТЕОРИЯ ПАРАМЕТРИЧЕСКИХ И СЙ1ЕРГЕТЕГОДИН1Ш ЛАЗЕРОВ НА СВОБОДНЫХ ЭЛЕКТРОНАХ

Спчииапькссть 03.04.04. - Физическая электроника

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученей степени киндилато физико-математических коук

СУПЫ -1ЭД4

-исстд Бьязялека на кафедре т?с-р^т;:ческсл даоакз Суыского государственного ушаерсгтст..

НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ доктор

ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППСНЕ'П'Ы доктор

фк..ко-математических наук, профессор В.В.Кулиш

Ф»|3ико-матеуат2чеоких наук, профессор А. И. ■»•едоренко

КаНД}1ДаТ наук,

2£-душ1й научный сотрудник ' КПФ АН Ухсаины С. П. Рст/пккн

ЗЕДУЛАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ Харьковский государственный

уЕиверсктэт им. А. И. Горького

Заа:-:та, состоится " 12- " Л1«4. .19д5~г. в час.

ка заседании Специализированного ученого совета К 22.01.01 при Сумском государственном-'университете

244007 г. Суш, ул. Римского-Хорсаксвг, 2, СуыГУ, корпус ЭТ, ауд. $ (Ь ,

С диссертацией можно ознакомиться з библиотеке Сумского государственного университета.

Автореферат разослан " 9 •• 1934 г.

Ученый секретарь

Специализированного ученого, совета, кандидат физике-,математических наук

7

. Я. Флат

- 3 -

05ШАЯ ХАРДХТЕРИСГ^А РАЕОТН

Актуальность раоота. .

Лазеры на свободнаяэлектронах СЛСЭ), как новый класс релятивистских электронно-волновых приборов давно привлекают знкмание исследователей возмокнсстью получения мощного когерентного электромагнитного излучения в диапазонах длин есян от миллиметрового до инфракрасного. При ,создании этих устройств, как правиле, используются специальные Спорей уникальные} технологии, что Нередко сопряжено с различного рода проблемами, в том числе и с финансовыми. Поэтому проводимые здесь эксперименты должны быть не только тгательно подготовлены в техническом плане, но и иметь надежную расчетную базу. В этой связи особую роль приобретает степень развитости нелинейной теории, лежащей в сснсзе расчетной методики.

Таким образом, разработка самосогласованной нелинейно" теории ЛСЗ-усилителей Скак параметрических, так' и сулергетеродинныхЗ, с более широкими рамками применимости, чем ранее известные еэ варианты, .представляется весьма актуальной задачей.

Целью, работы является построение .самосогласованной кубически-нелинейной, тйории однопотоковых параметрических допплертронных и двухяотоковык . супергетеродийных Н-убитронных ЛСЭ-усилигелей,- - учитывающей влияние эффекта нелинейной генерации продольного электрического поля.

Научная новизна.■

В диссертационной работе впервые:

1. Предсказана возможность реализации в сильноточных приборах с ' длительным . взаимодействием : нового физического

явления - эффекта . нелинейной, генерации, продольного электрического поля.

2. Разработана кубически-нелинейная■ теория двух типов изохронных параметрических > ЯСЭ-допплертрон-усилителей • с оптимальным электростатическим полем, и с оптимальной вариацией коэффициента замедления волны накачки, с учетом эффекта нелинейной генерации продольного- электрического поля.

■ 3.Разработана самосогласованная кубически-нелинейная теория. двухпотокавых . .оупергетеродинных ЛСЭ-усилителей с Н-убитронным полем. накачки.

Научные полоЕекия. выносиьг^а на защиту.

1.В сильноточных приборах с длительным взаимодействием, в частности в параметрических допплертронных и супергетеродинных Н-убитронных ЛСЭ-усилителях, возмогла реализация эффекта нелинейной - генерации продольного электрического поля, который среди прочих механизмов касьщешм могет играть одну их главных ролей.

2. В рамках разработанной кубичаскп-.челинейной тосрин изохронных параметрических, ЛСЗ-допплертрон-усилителей с оптимальным электростатическим полем, ' и с оптимальной вариацией коэффициента замедления волны накачки возможно достижение высоких уровней усиления сигнала и эффективности взаимодействия за счет . полного подавления кубических механизмов насыщения, в том числе эффекта нелинейной генерации продольного элехтраческого поля.

3. Эффект нелинейной генерации . продольного электрического поля в двухпотоковкх супзргетеродкнньгх ЛСЭ оказывает боле о существенное влияние на динамику усиления и

уровни кгсьвдшя сигнальной волна я к.п.д., чем в эквивалентных . однопотоховвх ЛСЭ.

Практическая ценность.

Разработанная в диссертационной работе

самосогласованная кубически-нелинейная теория однопатокозых параметрических и двухпотоковых . супергетеродинкых ЛСЭ-усилителей составляет основу расчетной методики выше названных релятивистских электронно-волновах приборов С в том числе их изохронных моделей}, и является обобщением существующих зариантов теории данных устройств в направлении учета новых нелинейных явлений в плазме релятивистских электронных потоков.

Апробация работы.

Основные результаты диссертации опубликованы в 11-ти • печатных работах, докладывались и обсуждались на семинаре Международной рабочей группы по турбулентности и нелкней::"м , процессам в плазме СКиев,• ия-т теоретической физики АН Украины, апрель 1992 г. 3 ; Международной конференции "Физика-93" в Украине (Киев, ин-т теоретической физики АН Украины, июнь 1993 г. Э; 17-й. и 1S-йМеждународных конференциях по инфракрасным и миллиметровым волнам С США, Пасадена, декабрь 1992 г. и Англия, Эссекс, . сентябрь 1993 ■ г.).

- Структура и объем работа. "

Диссертация состоит - из . введение,;1 трех глав, .' эакхсчения, списка литературы й приложения.. Объем, дкссгрталта составляет 125 страниц, включая 17• рисунков. Eïi.izornaçîia содержат 128 наименований. Приложение занимает 12 страниц. ' , • :.

. - 2 -ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цель к положения, выносимые на заашту. Изложено краткое содержание работы.

В главе 1 проведен краткий обзор экспериментальных и теоретических работ, посвяненных релятивистским электронно-волновым приборам класса ЛСЗ. Рассмотрены существующие подходы к описаний ЯСЭ к методы их исследования.

В первом параграфе изучен вопрос об истории приоритетов, касающихся первых теоретических разработоки изложено состояние . - самосогласованной . нелинейной теории параметрических ЛСЭ-усилителей. При анализе работ по исследуемой тематике отмечены основные достижения и сформулирован ряд нерешенных проблем. В том числе вопросы, связанные с эффектом нелинейной генерации продольного электрического поля. Исследованы основные известные способы изохронизации взаимодействия в однолотоковых ЛСЭ-усилителях, как Н-убитрснного, так и допплертронного типов.

Содержание второго параграфа данной главы составляет обзор работ, посвяаенных.двухпотоковым супергетёродинньш ЛСЗ СЛСЛС5). Здесь рассматриваются особенности реализации принципа супергетеродинного усиления в двухскоростных моделях ЯСЭ. Проведен критический анализ результатов слабосигнальной Сквадратичной) теории и обоснована необходимость построения нелинейной самосогласованной теории ДСЯСЭ-усилнтелой.

В третьем параграфе рассмотрены основные методы исследования параметрических однопотоковых и

гупергегв-гожгаг л дз-'ляотоксгкх ЛСЭ-уеиянтеяей. Дало -сзаткое лоло-тонле 1'стояа усредненного кякетического уравнения з сочетание с мотодоы медленно менжюйея • амплитуд, поскольку з диссертации они являются рабочих! методоми исследования.

3_главе 2 разработана самосогласованная кубически-

нелинейная теория параметрических ЛСЭ-усилителей даяппертранното типа с замедленной волной накачки.

3 первом параграфе главы в рамках расширенной - исходной модели гформулирована постановка задачи о трехволновом параметрической резонансе двух электромагнитных волн в плазме релятивистского электронного потока СРЗГО.

Зо зтором параграфе на базе самосогласованной системы уравнений Больцмана-Максвелла с■помощью метода усредненного кинетического уравнения з сочетании с методом медленно к-;ияащихся ашшггуд получена рабочая форма кубически-нелинейных укороченных уравнений для комплексных амплитуд волн. , Данная система уравнений . описывает прсцзсс трехволнового резонансного взаимодействия в параметрических чСЭ-дсгшдертрон-усплителях с учетом . следующих основных факторов:

а) замедления электромагнитной волны накачки;

б) возможности реализации з системе как режима взрывной неустойчивости, так осиилляторного . и асимптотического : сжимов; ............

в) влияния теплового продельного разброса электронов;

г) релятивистского характера процесса взаимодействия;

дЭ .возможности работы ЛСЭ как в рамановском,

кскптонсвском, так к смешанном комптоа-рамановскоы режимах-,

с-3 нелинейной генерации продольного электрического

• - £ -

ноля.

В частном случае С пренебрегая • некотсркш из пере'п:сл&:ш1Г.-: факторов) получено совладение с •аналогичными результата:/:: другая азтсроз.

Б третьем параграфе предсказана -возможность реализации в сильноточных ■ приборах с • иштеаъгаы _ьзаимодейстгиек наг его физического явления , эффекта калккейяой генерации продольного электрического соля. Данное явление тесно связано' с эффекта* "захвата" электронов солеи пондерошторноа водны, .как - одним еа метакйаиов -нзеагевгя усиления электромагнитных волн сист&ик. При "захвате" происходит вотерз г^эти юшетгческоЯ эвергкг ?яекг?ояо? ка излучение. Соответственна скорости прогонного кг. дрейфа оказываются разная: в начале и в конце ссг.лс:у взаимодействия. В результата в выходной часта рг-Рзчей области образуется относительный изоято:-:' электроне* (кескомпенсироьашгиЕ кокнж фзнок>, что г появлений торыозяветс пссдоеькдго под.'. 2

рак-.а:: доптшертрснксП усгслк ЛСЭ-угиггтсдя ярезог.?;-: детальный анализ V. показано, чгз- исследуемое хдде-акя :и-:-ет кубически-нелинейную природу. :: ь иерархии каешения ыокет играть одну из езкгьгкг Бзсяехк«.'

тгзокллкстрирсвано на приказах резмгьтатоъ интегрирования самогогласозагаэг с?гга«: ку^зчеегд;-аелиаейкых укороченных уравкевяЛ. получении:: ь пзедёггуг:«-' параграфе данной главы.

В четвертом параграфе рассмотри«» ьздр^ск йдтк.ч/ол-.::;;; треэсволксзого резонансного' взаимодействия д дог.гдергрд.чкгг.

1с2-у:г„..::"гяжг. Рпзг^-гс :'ггзддачэсэттЗ пряск лслукя:;я •/о.-с5:!„". состочтиз ояот'.-.ма. ^сс-здозаны

.:зс:?о?ние модела "О з •спглм'льпг;-' элехтвсетагачтслии и с спт^ллъйой. варз»:глей ксз$фаш'2Ята замедления нояны накач:«, лря рваяазгааа в сягтеаз келинэаноа генерации .-.-•з^ольного ^л-эктрпчесйого ~сля. Продемонстрирована ззслагшсо^ь зна'г.'.т-зльксгз псвкаания усиления сигнальной зслнз эфуэхткгясстз взаимодействуя С4С~45*0 за счет г.сгазлгняя кусичес:с:н иояазизмоз касьшеЕия, в тем числч с-зфзкта нол;;не;'.но*;: гзнзрааяз слгектричесг.сго г.оля. Пояучс-нк аналитические выражения, позволявшие протгСулкрозать по ;лпае системы нормированные функции оптимального электростатического поля

, _ _ ----

- " с- 'о а ? т + о р т + а р т

р О О 5 V 5 0 г а с

т, Т,

- ' - + —^--- 5„Р„

о„ ?, т»; т?1 гз

о " о

г;

Т? ' 7

» с» ;

ГО,

чс

1 « а

—- е; X* — сг."ги г •+ Н) -] х;с. " ' СИ

—-г \ ^

Т V г 1 ||>

' _! % а 1 ¿. -

1 ' .10 о,

<1 сЗп'Са 2 ю

" Л 3

■) , • ч

V. Iг 3

о >

зл ^! -

" о '

- Л[5 с .

ЭД 1 9 0о]]

с! ЗЛ^Са 2 + Ю 1

02 СП "(а г + Ш ]

и генерируемого.электрического поля

= ülá Ai d s"2(a-2 +

A.

+ D

и с

e ш

p

1

Cn\a Z + H)j '

где: p( Q.( )( T-( y D( ¡f X( )t z( a - коэффициенты, определяемые входными параметрами системы; eük Ck=l,2,3) начальные нормированные ■• амплитуды волн; Н - нормальный эллиптический интеграл первого рода; - плазменная частота РЭП; z - продольная координата.

В'главе 3 построена • самосогласованная кубически-неланейная - теория двухпотоковкх супергехерсданню: ЯСЭ-усилителей Н-уСитронното типа.

В первом параграфа поставлена задача о супергетеродинном усилении электромагнитной волна сигнала в системе двух РЭП, дрейфуют;;:: в периодически-реверсивном магнитостатаческо;; поле накачки.

Второй параграф третьей главы поскйавп йсслодоввша-движения электронов РЭП в зад&клда поляк накачкк и сигнала. г также задаче о возбуждении электрет:-: литеш: полой иж найденных плотностях заряда к тока. D результате получены приближения для гармоник функции распределения электроне?. г-рабочая система кубически-нелинейных укорочеишк: урзпнешй дня амплитуд волновых полей к генерируемого &лектр»;чгскогс поля. Показана возможность существован;:»: двух режимов гааимс-дййствйя: вырогдекногс-ракаио:-' схсгс у комзтоковспогс. "лалкз системы уравнений яроязьедэк ч..скркглкк к,- 'czna/я кнтегркрозангя.

В третье« пасагу.гф ксслс-дуютсп кэггкдбгуг э$4скти г

- -

двухпотоковьгх ЯСЭ-усилктелях Н-убитронного тепа. В их числе: зффект нелинейного затухания осци.тляций амплитуды поля излучения и к.п.д. взаимодействия, а такхе упомянутый эффект нелинейной генерации продольного электрического поля. Объяснение первого из выше названных эффектов кроется в особенностях динамики волны пространственного заряда СВПЗЗ. А именно: в отличие от параметрических' ЛСЭ в двухпотоковьгх амплитуда ВПЗ продолжает нарастать и после достижения насыщения усиления электромагнитной волны сигнала. что обусловлено эффектом двухпотоковой .неустойчивости. Соответственно растет глубина бакетов, в которых осциллируют захваченные электронные сгустки. В силу этого амплитуда к период осцилляция последних постепенно уменьшаются, что и предопределяет затухающий характер зависимостей -коэффициента усиления и эффективности взаимодействия по длине системы. Результаты численного анализа показали, что эффект нелинейной генерации электрического поля оказывает в двухпотокОЕЬж судергетерояинныу. ЛСЭ более существенное влияние на динамику и уровни насыщения амплитуды усиливаемого сигнала и к. п. д. преобразования элергии. чем в эквивалентных однопотоковых моделях.

Е четвертом параграфе данной главк прогеден критериальный анализ результатов. Произведена численная проверка выполнения критериев применимости развитой теории.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ Тачим образом, в диссертационной работе разработана самосогласованная кубически-нелинейная теория однопотоковых параметрических допплертронных V. двухпотоковы;: супергетеродикнкх Н-убктронкых ЛС23-усилителей, учитывающая

/-.:<-'.V '¿.ъгж/.- ;нс:> гокег^и;;:: продельного

:х:•:-.:.ч'с-.ат: поля, 2 тс."'. члсл-г.

1} уотгновлуно, что прд . .л^-тричг-зхи рззоканоясм зз&йкэх®йггв*л' ол-жтрэмаппглы:; во.:.: накачки и сигнала в лягж* Р5П реализуется з н'-дннезяоа генерааан

предсяърсго электрического .-¡эл.*. которь::; • в сильноточных ра:.а.чоьс.чк:: Л.ТЭ ■ среди прочих механизма* насыщения усиления меже? играть- одау из сановных ролей;

2} показана зозможнооть полония высоких уровней усалок:;я сигнала,я к. п. д. , за счет подавлений нелинейных механизмов насгаеакя в изохронной моделе параметрического "СО - дзлг.лертрсн усилителя с оптимальным

алвк-к-ига-пиесиим волом, ь том числе при учете оафехта нвгдагазй генерации продольного электрического поля;

3) в 'рамках зыше указанной изохронной модели получена аналитические вкра?,сгк::я для оптимального электростатического подпора а генерируемого электрического псяя;

4) разработана самосогласованная кубически-нелинеиная теория параметрического ЛСЗ-уокяителя дспплертрснного типа с оптимальной вариацией коэффициента замедления волны накачки, в том числе с учетом, реализации в системе эффекта нелинейной генерации предельного электрического поля;

3) подтвержден.а рамках са.ис-согласованной кубически-' нелинейной, теория ранее известный вывод сгаоосагзальной теории о возможности достиаеиил радикально бояьздх уровней усиления сигнала, которые способа:; обеспечить дзухлетокозне супеагетералиняке ЯСЗ-усилктели, по сравнении с аналогичными однопотоковкми системами;

6) установлено,- что нелинейная генерация продольного электрического поля, рзализуащаяся также з двухпотоковьг.с

супергетесолинкых ЯСЭ-ус::лигелях Н-уби?рзнксгс оказывает более существенное влияние па динамику уйалеказ и уровни насыщения сигнала а эффективности Ёзаямодейсгвия. чем в эквивалентных однопотоксвых параметрических ЛСЭ;

установлен факт реализации эффекта • иеяйнеЖзсгз затухания осиилляинй амплитуды аслнк .сигнала и - к.п.д. взаимодействия в дгухпотоковьк • супергетсссдиапкх ЛСЭ-усилителях Н-убитронного типа.

Основные результаты диссертации опубликованы с слудувашх работах;

1. Куг.и'л 3. В., Хулгвсв С. д. Ееяинейяая саксссглагозакнгл теврхя лазеров кэ сгзо&агхя заектрзна;:. 1'лсхро«шие додели // VVL -1S23. -T.S2.K1. -C.5-1S.

2. Kysas 2.2 , К?яееза С. А ' :&"'.яс-2пая сааагсгяасвгаявая тс-ср-.сл лазере?, на езобмглге а.-гятрспах. келяяеЯпсй -

. r*s$?aœst- предельного электряческсгг ззяя "í't. -1933. -

S 5. 2.. С. А , л z Ужьшр.же метода

ycpfc-avœwrs хй-'тхчегпг-с- y.-rsSrc«;í.í 2 .sassw r^спил rpox з.гд:гс2огс паоадатяп-гггпгг ргсаю::« ь rsasMf п'л"лт::г-::стск:эя?~'"sccí¡ // плазмы. - 1S33. *

г -

4 Г«;: sr. v.v.. Kuiechsv Ь'. Л . Lys««« Ä-V. Nonlinear

¿i гирггле1С'ГС.?УГ<з. and parametric слссггсг. 1зз«гг.// 7r.<? ir.t«TAticr»%l journal of •r.frsri-' ans 12^Ysr, - :SS3. - 14.N3. 5. >':■.'i.V.. C. ., l.yse~.l'c A V Nor. i mear

„". t-.етгу ci" i .o-slreao sviperhatercayne free

ilcr.-'in iasors.'-^ 7'<e c-.-r.aiicnal journal of infrared r.'-i xav». - '5-ii. - 15,IS-

¿удяз Э. Б. , Хуяеасз С. А. Генерация продольного элэктрическс.и поля пр.; трелволзозом параметрическом резонансе с-лектромагнктнык вс.-г - плазме релятивистского электронного потока ■// Деп • э Укр.йНГЭИ, • 19.03.32, !t 360-Ук. £2

7. 7.7. Kuiish, S. A.Kuieshov. Effect. of nor. - linear generation of intrinsic e.i^ctric field at the pararietric - resonance interaction of two electromagnetic wave in plasma of relativistic electron Ьеаш. In bock: "Contributed papers. Workshop on turbulence anc ncn - linear processes in plasma". Kiev, Ukraine, April 13-29 1992.- P. 76-80.

3. Kuiish V.V., Kulesnov S. A., Lysenxo A. V.. Nonlinear self-con sistent theory of superheterodyne and parametric free electron lasers. // In bock: "The digest of techdigest of technical papers of ths 17-th international conference cn infrared and Kiilinieter waves". СОесекэег, 1S92, Pasadena, USA).

S. Кулиш В. В., Кулешов С. А., Лысенко А. Б. Нелинейная самосогласованная теория эффекта супергетеродинного усиления электромагнитных волн в двухпотоковой релятивистской системе. // Б кк: "Физика и применение микрозоля.. Миллиметровые и сус/мклляметровые волны. Труды 2 Всероссийской шгалы-семинара".- Москва, МГУ, 19-22мая 1SS3.

10. Kuiish V. V., Kuieshov S. А., Lysenkor A.V.. Proceedings of the Physics in- Ukraine International Ccnforence CKiev,

. , 22-27 June,-13933, Plasma physics. - P. 152-155.

11. Kuiish V. V., Kuieshov S. A. r Lysenko A.V.. Nonlinear theory of two-stream superheterodyne free electron lasers. // In

book: "The technical digest cf the 18-th international conference on infrared and millimeter waves. С September, 1S93, Essex. England).

АННОТАЦИЯ

Кулешов С.А. Самосогласованная кубическн-нёлинейная теория параметрических к супергетерсдиннкх лазероБ ка свободных электронах.

Диссертация (рукопись^ на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук- по- специальности 01.04.04.-йизическая электроника, Сумскип государственный университет, Сумы. 1S34 г.

Запишется 13 научных-работ, которые содержат теоретическое исследование оанопотоковнх параметрических и . двухпотоковых супергетеродинных . ЛСЭ-усилителей, с учетом . эффекта нелинейной генерации продольного электрического поля. Установлено, что в' сильноточных приборах с длительным взаимодействием возможна "реализация эффекта нелинейно;: генерации продольного электрического поля, -который среди прочих механизмов насыщения усиления играет одну из глазных ролей. В двухпотоковых IC3 данное явление оказывает более существенное влияние на динамику, усиления и уровни насыщения волны сигнала и эффективности преооразования энергии, чем в эквивалентных однопстоковых ДСЗ.

Произведена апробация результатов разработанной теории на Международных конференциях и семинарах. Ключевые слова-

самоуагогжака нетш'лйка TeopiK, аараметричк: та. супергетеродина! ЛВЕ.

- 16 -ABSISACT

Sergey A. Kuieshow The ssif-consistent cubic-nonlinear theory of the parametric and superheterodyne free electron lasers.

The dissertation Cmanuscript) for the obtaining of the scientific degree of •the ' candidate of science .in the mathematic and physics with correspond to the speciality 01.04,04 - physical electronics, Symu State University, Synu, 1994.

11. scientific works are deafened. They contain theoretical research of the parametric ana superheterodyne double-stream FEL aaplifierst. with the calculation of the nonlinear longitudinal electric field generation effect. It has been set that the realization of the nonlinear longitudinal electric field generation effect is possible m the strong-current devices with the long interaction. Above mentioned effect takes a principal. place among other saturation effect. The effect acts upon the amplification dynamics, signal wave saturation level, energy trams fcreation efficiency in Ibe superhetercdine FEL in the higher degree that in the parametric one. The resul^ of'the built theory tes ¡beers presented in the international conferences and seminars.