Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Лазер на свободных электронах
Под лазерами на свободных электронах (ЛСЭ) обычно понимают устройства (приборы), в которых происходит усиление или генерация когерентного электромагнитного излучения с использованием явления стимулированного излучения релятивистских свободных электронов, совершающих наряду с поступательным также и колебательное движение в поле внешних сил. В качестве таких внешних сил могут выступать силы, действующие на электрон со стороны пространственно-периодических магнитного (магнитостатическая накачка) или электрического (электростатическая накачка) полей либо интенсивной электромагнитной волны, падающей на электронный пучок (электромагнитная накачка). Накачка первого типа имеет место в ондуляторах и убитронах, накачка второго типа может проявиться при каналировании электронов в кристаллах. Электромагнитная накачка может быть использована для преобразования мощного длинноволнового СВЧ-излучения в коротковолновое — инфракрасное и оптическое — при его рассеянии на релятивистском электронном пучке.
Но в данном случае рассмотрим ондуляторный лазер на свободных электронах - вид лазера, в котором рабочим телом является электронный пучок, разогнанный в ускорителе до релятивистских скоростей, и распространяющийся в ондуляторе - системе магнитов, создающей сильное поперечное знакопеременное магнитное поле. Вся эта система помещена в резонатор (например два соосных зеркала).
Рис. 1 Общая схема и принцип работы ЛСЭ
Генерация СВЧ электронными потоками
Для всех генераторов вакуумной электроники СВЧ принципиально важным является обеспечение синхронизма между перемещением электронов и той электромагнитной волной, в которую перекачивается их энергия. В процессе взаимодействия электронов с высокочастотным полем волны в электронном потоке формируются сгустки частиц (фазовая группировка). Электронные сгустки по мере своего движения отдают энергию полю излучения, взаимодействуя с той его компонентой, для которой должным образом выполнено условие синхронизма. Электроны, двигаясь вдоль оси синхронно с волной, группируются в сгустки под действием ускоряющих и тормозящих участков волны.
Рис. 2 показывает простейший случай, когда продольная составляющая электрического поля бегущей волны записывается в виде ЕZ= Е0(wt-wZ/uZ,). На этом рисунке стрелками показаны силы, действующие на электроны. Видно, что электроны с участков АВ и ВС должны собираться в плоскость В, с участков СР и ВЕ – в плоскость D и т. д. Соответственно, плоскости А, С, Е и т. д. должны опустошаться. Таким образом, в плоскостях В, Р и т. д., расположенных друг от друга на расстоянии пространственного периода волны EZ(t ,z), возникают сгустки ЕZ электронов.
При точном синхронизме, когда скорость поступательного движения электронов вдоль
оси z равна фазовой скорости волны в направлении движения электронов (u=uZ), электроны неподвижны по отношению к полю бегущей волны, и обмена энергией между электронами и волной нет. При u>uZ сгустки обгоняют волну, чему на рис. 2. соответствует движение слева направо, т. е. против тормозящей силы. При этом кинетическая энергия движения электронов
переходит в энергию СВЧ поля. Следовательно, поле усиливается. Это усиление когерентно, и при соответствующей обратной связи возникает генерация. Как обычно, генерация начинается под действием флуктуационных толчков, в поле излучения которых все более интенсивно происходит образование электронных сгустков, в свою очередь все более интенсивно испускающих электромагнитное излучение. На языке квантовой электроники это и отвечает индуцированному излучению.
При релятивистской скорости электронов автоматически обеспечивается синхронизм электронного и светового пучков. Электронные усилители, генерирующие пучки электронов сверхвысокой энергии, обычно работают в импульсном режиме. Если за время полёта волновой электронный пакет разойдётся со световой волной меньше, чем на длину волны, нарушениями синхронизма можно пренебречь.
Для ондуляторного ЛСЭ условие оптимальной генерации излучения описывается следующим выражением
dnФ/dt ≈ aKI/e .
Где a=е2/ћс, е — заряд электрона,
K - число периодов в цуге, испущенных частицей,
I - сила тока.
Коэффициент усиления излучения в ЛСЭ
Коэффициент усиления излучения в ондуляторе в ЛСЭ определяется выражением
.
Где , – число периодов ондулятора,
L – его длина, NE – электронная плотность,
w0 - частота, в окрестности которой возможна генерация,
m0 - масса покоя электрона, e - заряд электрона,
H - напряжённость магнитного поля.
Руководствуясь этой выкладкой можно сказать, что Коэффициент усиления G пропорционален производной от спектральной интенсивности спонтанного излучения , что прекрасно иллюстрируется представленным на рис. 3 результатами измерения этих величин.
Рис. 3. Спектр спонтанного ондуляторного излучения (a) и спектральная зависимость коэффициента усиления в ЛСЭ (б)
Фактор определяет дисперсионную зависимость G(w). Усиление возможно (G>0) при
u<0 или w<w0. Максимальный коэффициент усиления достигается при |u|=1.
Синфазность в ЛСЭ
Вынужденному излучению в ЛСЭ при классическом описании ЛСЭ отвечает самосогласованный процесс, включающий в себя группирование электронов в сгустки под действием затравочной (сигнальной) волны
и, как результат, обеспечивается синфазность - совпадение по фазе двух или нескольких периодических колебаний в пучке.
Частота и длина волны излучения в ЛСЭ
При существенно дорелятивистских скоростях частота излучения равна частоте периодического движения V/L.
Благодаря эффекту Доплера на релятивистских скоростях частота излучения электронов в ЛСЭ во много раз превышает частоту колебаний электронов :
Здесь S = 1, 2, . . . - номер гармоники, - малый угол между направлением поступательного движения частиц и направлением излучения волны: , где - фактор Лоренца, - полная скорость частицы.
Достоинство ЛСЭ - возможность плавной широкодиапазонной перестройки частоты генерации изменением или .
Для макроскопических пространственных периодов L длина волны излучения нерелятивистском случае соответствует радиодиапазону.
λ = СL/V .
Релятивистский эффект Доплера приводит к резкому уменьшению длины волны излучения по сравнению с характерными размерами излучающей системы. При скорости электрона, близкой к скорости света, в силу релятивистского сокращения масштаба имеем L' = L (1 – V2/С2)1/2 и при этом длина волны уменьшается соответственно на g = (1 – V2/С2)1/2
Ондуляторный эффект в ЛСЭ
Ондуляторным эффетом ЛСЭ является такой параметр, как эффективность преобразования энергии электронного пучка в излучение (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.
Ондуляторное излучение как квантовый эффект
При рассмотрении ЛСЭ с точки зрения квантовой электроники мы должны отметить что в пучке электронов, разогнанных в ускорителе формируются 3 волны: электроны с релятивистскими скоростями, электроны изначально нерелятивистские и волна передачи энергии. Эти три волны существуют в пучке, но для генерации излучения КПД переходов слишком мал.
При попадании в ондулятор, электроны в зависимости от скоростей (и соответственно спинов) расходятся по энергиям. Так как ондулятор простейший ондулятор представляет собой обычный магнит, расходясь по энергиям, релятивистские электроны замедляются при этом теряя энергию и усиливают волну передачи. И уже со второго уровня на первый осуществляется индуцированный переход.
ЕРЕЛ.+ ∆Е + ЕСПИН.
ЕНЕРЕЛ.- ∆Е - ЕСПИН.
Трёхуровневая схема является классической, но для реального ЛСЭ ( ондулятор - система простанственно-периодических магнитных полей) действительна четырёхуровневая схема, содержащая, так же помимо трёх уровней, ещё и уровень откачки ( достигается или сменой резонатора, или добавлением циклотронного эффекта ).
Вопросы
1. Главная задача ускорителя - разгон электронов до релятивистских скоростей, т. е. достижение пучком нужной энергии пучка. При этом ускоритель позволяет избежать появления гамма излучения.
Ускоритель так же применяется как замена накопителю, т. к. в накопителе нельзя получить большую мощность излучения из-за "раздувания" электронного пучка по причине роста энергетического разброса.
2. Перестройку частоты на ЛСЭ осуществляют посредством изменения: