4.1.2 Лазеры на свободных электронах
Этот лазер
представляет генератор электромагнитных
колебаний оптического диапазона, в
котором активной средой является пучок
свободных электронов, взаимодействующий
с пространственно периодическим
электрическим или магнитным полем.
Пучок электронов, двигающийся со
скоростью, соизмеримой со скоростью
света (релятивистские электроны),
создаётся ускорителем заряженных
частиц. Далее пучок релятивистских
электронов направляется в ондулятор –
устройство в котором создаётся
электромагнитное поле. Это поле можно
представить как знакопеременное
магнитное поле, действующее на движущийся
поток заряженных частиц с периодической
силой. Под действием этой силы поток
частиц совершает периодические колебания
и генерирует электромагнитное излучение.
Частота этого излучения
во
много раз превосходит частоту колебаний
переменного магнитного поля в ондуляторе,
вследствие эффекта Доплера. Напомним,
что эффект Доплера состоит в изменении
частоты колебаний при движении источника
колебаний относительно неподвижного
детектора.
Вследствие
нелинейного взаимодействия потока
электронов с магнитным полем ондуляторное
излучение генерируется не только на
основной частоте
,
но и на высших гармониках. Их частоты в
соответствии с законом Доплера
определяются как:
(4.1)
где n – номер гармоники, V – скорость релятивистских электронов, с - скорость света.
Генерируемое электромагнитное излучение усиливается в открытом оптическом резонаторе и формируется в виде направленного когерентного пучка. Управление длиной волны лазерного излучения достигается изменением скорости пучка электронов или угла между направлением движения электронов и вектором переменного магнитного поля.
В настоящее время
получена генерация в инфракрасном и
красном диапазонах длин волн (10,8 мкм,
3,4 мкм, 0,65 мкм). Средняя мощность составляет
около 5 Вт при КПД
1 %, который может быть увеличен до 40
% при условии возврата электронов в
резонатор.
В настоящее время в Германии, Японии и России ведутся интенсивные исследования по повышению скоростей свободных электронов с помощью новых ускорителей и лазерных импульсов сверхбольшой мощности (10 ТВт) с длительностью 10 – 20 фемтосекунд. Предполагается, что во втором десятилетии ХХI века излучение от лазеров на свободных электронах уже попадёт в рентгеновский диапазон.
Основное внимание в этих исследованиях обращено на повышение плотности и скорости движения электронов. Эксперименты выполняются по двум направлениям. В первом из них предполагается использование нового поколения ускорителей электронов с использованием сверхпроводящих магнитов. Во втором проекте для генерации большого количества свободных электронов предполагается использование радиочастотной электронной пушки, подобной рентгеновской трубке. Однако генерация сгустка электронов будет происходить не путем термоэлектронной эмиссии, а путем облучения катода сверхмощными импульсами лазера, работающего в ультрафиолетовом диапазоне. Для медного катода такой пушки необходим УФ лазерный импульс с длительностью порядка 10 нс и энергией порядка 4 эВ, что вполне достижимо для последнего поколения лазеров.