43. Лазеры на свободных электронах и их свойства.

Под лазером на свободных электронах (ЛСЭ) понимают устройство, в котором происходит усиление или генерация когерентного электромагнитного излучения с использованием вынужденного излучения релятивистских свободных электронов, совершающих, наряду с поступательным, колебательное движение в поле внешних сил. 1. возможность генерации коротковолнового (микронного и субмикронного диапазона длин волн) излучения. 2. плавная перестройка частоты путем изменения макроскопических параметров системы – энергии электронного пучка или периода знакопеременного поля накачки.

Принцип действия лазера на свободных электронах основан на магнитном тормозном излучении. Длина волны лазера может быть последовательно настроена путем вариации скорости электронов, периода ондулятора или его поля. В качестве источников электронов применяются линейные ускорители, накопительные кольца, микротроны (наиболее просто реализуемые).

Свойства: ЛСЭ имеют несколько особенностей, отличающих их от других лазеров. Во-первых, длина волны излучения определяется параметрами ондулятора и энергией электронов, а, следовательно, может быть практически любой (от ангстрема до сантиметра) и плавно перестраиваться. Во-вторых, наличие электронных пучков со средней мощностью порядка десятков мегаватт и средней плотностью мощности до сотни мегаватт на квадратный миллиметр позволяет создавать ЛСЭ средней мощностью до нескольких мегаватт. В-третьих, относительно малая оптическая плотность и ''простота'' рабочей среды позволяют получать излучение с предельно малой (дифракционной) угловой расходимостью. Эти особенности определяют возможные применения ЛСЭ: спектроскопия, передача энергии на искусственные спутники Земли, лазерная медицина и т.д.

44. Теория лазера. Скоростные уравнения для 3–х уровневой среды. Рассмотрим лазер, работающий по трехуровневой схеме и такой, который имеет для простоты лишь одну полосу поглощения накачки (полоса 3 на рис. 1).

Рис.1 Энергетическая схема трехуровневого лазера.

        Обозначим населенности уровней 1, 2 и 3 соответственно через N1, N2 и N3. Будем считать, что лазер генерирует только на одной моде резонатора. Обозначим соответствующее полное число фотонов в резонаторе через q. Предполагая далее, что переход между уровнями 3 и 2 является быстрым, можно положить N3  0 и таким образом записать следующие скоростные уравнения:

         (1a)

         (1b)

         (1c)

        В уравнении (1а) величина Nt представляет собой полное число активных атомов (или молекул). В уравнении (1b) слагаемое Wp Nt учитывает накачку. Явное выражение для скорости оптической накачки Wр, то есть в случае, когда система с уровня 1 переходит на уровень 3 под действием света резонансной частоты перехода 1  3 имеет вид:

Wp  k I c,

        где I - интенсивность световой накачки в полосе поглощения 1  3; k - некоторый коэффициент, величина которого зависит от конкретных веществ

 В уравнении (1b) член Bq (N2 - N1) учитывает как вынужденный процесс излучения, так и поглощения. Действительно, согласно определению коэффициентов Эйнштена для вынужденного поглощения и испускания, соответствующие скорости пропорциональны квадрату электрического поля электромагнитной волны и, следовательно, пропорциональны величине q. Поэтому коэффициент В можно рассматривать как скорость вынужденного излучения на один фотон. Величина  представляет собой время жизни верхнего лазерного уровня и в общем случае определяется выражением

        где 21, 23 - спонтанные времена жизни переходов 2  1 и 2  3, соответственно.          В уравнении (1с) величина Va - это объем, занимаемый излучением внутри активной среды.