Технические науки

В принципе пучок моноэнергетических электронов представляет собой некоторую аномалию с точки зрения равновесного распределения в фазовом пространстве и обладает поэтому признаками инверсной населенности.

Апериодические отклонения пучка электронов приводят к излучению ограниченного числа фотонов (например, тормозное излучение), которые к тому же не обладают когерентностью. Теми же чертами обладает синхро-тронное излучение в магнитном поле.

Для получения лазерного эффекта необходим физический механизм, заставляющий электроны пучка колебаться перпендикулярно их основному движению с четко заданной частотой. Такой механизм обеспечивается пропусканием пучка электронов через набор магнитов («магнитную гребенку», или вигглер), создающий переменное по величине и направлению, но постоянное во времени магнитное поле. Основная длина волны индуцированного излучения электронов определяется формулой

(1.35)

где a_w – период вигглера,

– релятивистский фактор, равный Е /тс² (Е – энергия электрона, ат – масса покоя электрона; кстати, полезно напомнить, что тс² = 0,5 МэВ), Н – магнитное поле вигглера.

Для возникновения индуцированного излучения необходимо выполнение двух основных условий:

вигглер должен иметь достаточную длину (или же находиться внутри резонатора, повышающего эффективный коэффициент усиления);

электронный пучок должен иметь достаточную интенсивность и быть как можно более монохроматичным.

Лазеры на свободных электронах могут работать как а) усилитель мощности; б) генератор; в) умножитель частоты.

В режиме усиления мощности индуцированное излучение возникает, когда через вигглер вдоль пучка электронов направляется лазерный пучок с длиной волны, точно равной

Интенсивности электронного и затравочного лазерного пучков должны превышать некоторый пороговый уровень.

При работе в режиме генератора не требуется внешнего лазера; происходит постепенное усиление эффектов, вызываемых флуктуациями плотности электронного пучка. Особый интерес в этом случае представляет режим «сверхсветимости», когда достигается большой коэффициент усиления и за одно прохождение пучка через вигглер выделяется значительная мощность. При этом может оказаться, что характеристики электронного пучка после прохождения ухудшаются настолько, что дальнейшее использование его в лазерной схеме становится невозможным. Задача рекуперации энергии отработанного пучка и использования ее для ускорения очередной партии электронов не представляет особой технической сложности. Это позволяет повысить общий КПД системы.

При работе лазера в режиме умножения частоты используется хорошо известный релятивистский эффект умножения частоты при рассеянии света на движущемся навстречу пучке электронов. Длина волны излучения при этом уменьшается в

раз. Индуцированное излучение может возникнуть без всяких дополнительных устройств (типа вигглера) при соблюдении некоторых условий, связанных с интенсивностями и некоторыми другими характеристиками этих пучков.

Из формулы (1.35) видно, что наиболее существенный эффект в уменьшение длины волны вносит множитель

(период вигглера а_w вряд ли удастся сделать меньше сантиметра; обычно он составляет несколько сантиметров). На практике энергия электронов может меняться в самых широких пределах. Это приводит к очень широкому диапазону возможных длин волн лазера на свободных электронах (вплоть до жесткого рентгена) и возможности сравнительно легко варьировать длину волны излучения.

обстоятельства и обусловливают перспективность лазеров на свободных электронах.

Следует, однако, отметить, что разработка этих лазеров сильно отстает от теоретических исследований.

) предназначены, как правило, для других задач. В них не всегда можно создать условия, необходимые для работы лазера на свободных электронах.

Наиболее подходящими для этих лазеров представляются линейные ускорители, особенно сильноточные индукционные линейные ускорители с

порядка 100. В частности, такие установки имеются в Лос-Аламосе и Ливерморе – двух американских научных центрах, ведущих обширные исследования по СОИ.

Угловая расходимость излучения лазера на свободных электронах ограничивается соответствующими оптическими системами. В тех случаях, когда длина волны лазера слишком мала, чтобы можно было применять оптику, угловая расходимость пропорциональна, где

d – поперечный размер электронного пучка.

КПД современных лазеров на свободных электронах составляет лишь несколько процентов; выходная мощность таких лазеров тоже еще не очень велика. Возможность размещения в космосе электронного ускорителя с соответствующей энергетической системой пока что рассматривается как маловероятная. Таким образом, лазерам на свободных электронах, если они выйдут на уровень требований ПРО, скорее всего уготовано наземное базирование, как и эксимерным лазерам.

Лазеры на свободных электронах обладают квазинепрерывным действием. Наиболее подходящей является, по-видимому, рабочая длина волны 0,5 – 0,6 мкм – как раз посередине окна прозрачности атмосферы.

Сравнение наиболее важных характеристик всех рассмотренных выше типов лазеров (с точки зрения СОИ) дано в табл. 1.6.