ЛАЗЕРЫ НА СВОБОДНЫХ ЭЛЕКТРОНАХ

ЛАЗЕРЫ НА СВОБОДНЫХ ЭЛЕКТРОНАХ

       

генераторы эл.-магн. колебаний, действие к-рых основано на излучении эл-нов, колеблющихся под действием внеш. электрич. и (или) магн. поля и перемещающихся с релятивистской поступат. скоростью в направлении распространения излучаемой волны. Благодаря Доплера эффекту частота излучения в Л. н. с. э. во много раз превышает частоту колебаний эл-нов и может попадать в диапазон от СВЧ до УФ. Эл-н в Л. н. с. э. излучает в элем, акте квант, энергия к-рого во много раз меньше исходной энергии ч-цы. Это позволяет каждому эл-ну в процессе вз-ствия с волной излучить много квантов (=103 —108). Поэтому движение и излучение ч-ц могут быть описаны уравнениями классич. электродинамики, а сами Л. н. с. э. явл. по существу классич. приборами, родственными лампе бегущей волны, клистрону и др. электронным генераторам СВЧ. Вынужденному излучению в Л. н. с. э. (как и в др. электронных приборах) при классич. описании отвечает самосогласованный процесс, включающий в себя группирование эл-нов в сгустки под действием резонансной «затравочной» волны и последующее усиление этой волны в результате когерентного излучения образовавшихся электронных сгустков.

При квант. описании возможность преобладания вынужденного излучения над поглощением объясняется небольшим различием частот волн, к-рые эл-н способен излучить we и поглотить wа. Это различие обусловлено отдачей, испытываемой эл-ном при излучении или поглощении кванта, а в ряде случаев также отклонением от эквидистантности спектра колебат. уровней эл-нов (напр., уровней эл-на в однородном магн. поле). Т. к. в реальных условиях уширение спектр. линии, обусловленное конечностью времени нахождения эл-на в пространстве вз-ствия с волной (естеств. ширина) существенно больше (wе-wа), то вынужденные излучение и поглощение раздельно не наблюдаются, а преобладание излучения над поглощением имеет место для волны, частота к-рой смещена в сторону wа. Наиболее коротковолновыми явл. разновидности Л. н. с. э., в к-рых колелебат. движение эл-нам сообщается пространственно-периодическим статич. полем ондулятора (т. н. у б и т р о н, (см. ОНДУЛЯТОРНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ)) либо полем мощной НЧ волны тачки (т. н. к о м п т о н о в с к и й л а з е р, или скаттрон). Эти способы накачки близки по характеру воздействия на эл-ны, поскольку периодич. статич. поле воспринимается движущейся ч-цей как волна. При иных способах накачки осцилляторной энергии в электронный поток возможны и др. виды вынужденного тормозного излучения эл-нов:

а) вращающихся в однородном магн. Поле (м а з е р на ц и к л о т р о н н о м р е з о н а н с е),

б) колеблющихся в поперечно-неоднородном электростатич. поле (с т р о ф о т р о н) и др.

Кроме того, Л. н. с. э. могут быть основаны на разл. вариантах черенковского излучения (см. ЧЕРЕНКОЕА — ВАВИЛОВА ИЗЛУЧЕНИЕ) и переходного излучения ч-ц, движущихся равномерно и прямолинейно в пространств. периодич. структурах; при этом колеблются не эл-ны исходного пучка, а их зеркальные изображения в структурах.

Достоинства Л. н. с. э.— возможность плавной перестройки частоты генерации в широких пределах изменением поступат. скорости эл-нов или угла между излучаемой волной и направлением движения ч-ц. Эффективность преобразования энергии пучка в излучение — электронный кпд Л. н. с. э.— ограничивается выходом теряющих энергию ч-ц из резонанса с волной. Полоса активного в-ва Л. н. с. э. обратно пропорц. числу осцилляции, совершаемых эл-нами в пространстве вз-ствия с волной.

На возможность получения коротких волн путём доплеровского преобразования частоты излучения предварительно сформированных сгустков колеблющихся ч-ц впервые указали В. Л. Гинзбург и амер. физик Г. Моц (кон. 40 — нач. 50-х гг.). Однако предложение о получении таким способом вынужденного излучения было сформулировано позднее, уже после развития теории вынужденного излучения в системах классич. электронных осцилляторов и эксперим. реализации основанных на этом принципе слаборелятивистских электронных мазеров. Впервые Л. н. с. э. в ИК диапазоне реализованы в США Дж. Мейди с сотрудниками на базе Станфордского линейного ускорителя эл-нов в 1976— 1977.

Физический энциклопедический словарь. — М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1983.

ЛАЗЕРЫ НА СВОБОДНЫХ ЭЛЕКТРОНАХ

(ЛСЭ) - генераторы эл.-магн. колебаний, в к-рых активной средой является поток электронов, колеблющихся под действием внеш. электрич. и (или) магн. поля и перемещающихся с релятивистской постулат. скоростью в направлении распространения излучаемой волны. Благодаря Доплера эффекту частота излучения электронов в ЛСЭ во много раз превышает частоту колебаний электронов :

Здесь s=l, 2, . . .- номер гармоники, - малый угол между направлением поступат. движения частиц и направлением излучения волны: , где - фактор Лоренца, - полная скорость частицы. Достоинство ЛСЭ - возможность плавной широкодиапазонной перестройки частоты генерации изменением или .

Наиб. коротковолновыми являются разновидности ЛСЭ, в к-рых колебат. движение электронам (накачка) сообщается пространственно-периодическим статич. полем ондулятора А _н= A₀cos2z/d (убитрон; рис. 1, а; см. Ондуляторное излучение )либо полем мощной волны накачки А _н= А₀cos(t-k_Hr) (т. н. комптоновский лазер, или скаттрон; рис. 1, б). Здесь А _н - вектор-потенциал поля накачки, d - период ондулятора, - частота накачки, k _н - волновой вектор, r - радиус-вектор. Частота колебаний частиц в этих случаях и . Эти способы накачки близки по характеру воздействия на электроны, поскольку периодическое статич. поле воспринимается движущейся частицей как волна.

Рис. 1. Системы накачки колебательной энергии частиц в основных разновидностях ЛСЭ: а - в убитроне, б - в скаттроне, в - в мазере на циклотронном резонансе, г - в строфотроне, д и е - во флиматронах.

Др. типы ЛСЭ основаны на вынужденном тормозном излучении электронов: а) вращающихся в однородном магн. поле Н₀ с циклотронной частотой (мазер на циклотронном резонансе;рис. 1, в); б) колеблющихся в поперечно-неоднородном элсктростатич. поле U (х )(строфотрон; рис. 1, г). Кроме того, ЛСЭ могут быть основаны на черенковском излучении и переходном излучении частиц, движущихся равномерно и прямолинейно в пространственно-периодич. структурах (флиматроны; рис. 1, д, е). При этом колеблются не электроны исходного пучка, а их зеркальные изображения в структурах (пунктир на рис. 1, д). Суммарный диапазон, охватываемый перечисленными разновидностями ЛСЭ, простирается от СВЧ- до УФ-диапазона.

При квантовом описании возможность преобладания в ЛСЭ вынужденного излучения над поглощением объясняется небольшим различием частот волн, к-рые электрон способен излучить () и поглотить (). Это различие обусловлено отдачей, испытываемой электроном при излучении или поглощении кванта, а в ряде случаев также отклонением от эквидистантности спектра колебат. уровней электрона (напр., уровней электрона в однородном магн. поле, см. Ландау уровни). Т. к. в реальных условиях уширение спектральных линий, обусловленное конечностью времени пребывания в пространстве взаимодействия с волной (естеств. ширина линии), существенно больше разности частот ( ), то вынужденное излучение и поглощение раздельно не наблюдаются, а преобладание излучения над поглощением имеет место для волны, частота к-рой ближе к

В ЛСЭ электрон излучает в элементарном акте квант, энергия к-рого во много раз меньше исходной энергии частицы: . Это позволяет каждому электрону в процессе взаимодействия с волной излучить много квантов (10³-10⁸). Поэтому движение и излучение частиц могут быть описаны ур-ниями клас-сич. электродинамики, а сами ЛСЭ являются по существу классич. приборами, родственными лампе бегущей волны, клистрону и др. электронным СВЧ-генераторам. Вынужденному излучению в ЛСЭ при классич. описании отвечает самосогласованный процесс, включающий в себя группирование электронов в сгустки под действием затравочной (сигнальной) волны

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

Рис. 2. Зависимость от частоты коэффициента усиления G волны в ЛСЭ-генераторе.

В ЛСЭ-генераторах с высокодобротными резонаторами коэф. усиления G волны за один проход волны через резонатор (в режиме малого сигнала) определяется выражением

c - параметр связи электронов с волной, пропорциональный осцилляторной скорости частиц;S- параметр, характеризующий темп группировки частиц; -частота точного синхронизма, = -плазменная частота; п- невозмущённая плотность электронов в пучке (рис. 2). В безрезонаторпых ЛСЭ-усилителях

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

где - доплеровское преобразование частоты, - число колебаний частиц в пространстве взаимодействия. Для ЛСЭ, основанных на ондуляторном, черенковском, переходном излучениях частиц, а также на рассеянии волны накачки, параметр группировки частиц относительно велик: . Поэтому при большом доплеровском преобразовании частоты, когда , кпд ЛСЭ сравнительно невысок

и пропорционален ширине полосы активного вещества (рис. 2). Высокий кпд в таких разновидностях ЛСЭ достигается при переменной фазовой скорости синхронной волны в режиме захвата электронов пучка полем волны и последующего их адиабатич. торможения. Для ЛСЭ, основанных на индуцированном циклотронном излучении, вблизи резонансa, когда фазовая скорость волны , параметр группировки частиц сколь угодно мал в соответствии с (4), высокий кпд достижим при = const в постоянном магн. поле.

На возможность получения коротких волн путём доплеровского преобразования частоты излучения предварительно сформированных из сгустков колеблющихся частиц впервые указали В. Л. Гинзбург и Г. Моц (Н. Motz) (кон. 40-х - нач. 50-х гг.). Однако предложение о получении таким способом вынужденного излучения было сформулировано позднее, уже после развития теории вынужденного излучения в системах классич. электронных осцилляторов и реализации основанных на этом принципе слаборелятивистских электронных мазеров. Впервые ЛСЭ в ИК-диапазоне реализованы в США Дж. Мейди (J. Madey) с сотрудниками на базе Станфордского линейного ускорителя электронов в 1976-77.

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

В. Л. Братман, Н. С. Гинзбург.

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. — М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1988.