8. Лазеры на свободных электронах.

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

Апериодические отклонения пучка электронов приводят к излучению ограниченного числа фотонов (например, тормозное излучение).

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:

где a_w – период вигглера,  - релятивистский фактор, равный E/mc² (E – энергия электрона, m – масса покоя электрона; кстати, полезно напомнить, что mc²=0,5 Мэв), H – магнитное поле вигглера.

Для возникновения индуцированного излучения необходимо выполнение 2-х основных условий:

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

2. Электронный пучок должен иметь достаточную эффективность и быть как можно более монохроматичным.

Лазеры на свободных электронах могут работать как усилитель мощности, генератор, умножитель частоты.

Из формулы видео, что наиболее существенный эффект в уменьшение длины волны вносит множитель ² (период вигглера a_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 и возможности сравнительно легко варьировать длину волны излучения. Эти обстоятельства и обуславливают перспективность лазеров на свободных электронах.

Следует, однако, отметить, что разработка этих лазеров сильно отстает от теоретических исследований. Эксперименты сосредоточены пока на электронах малых энергий, для которых довольно просто создать ускорители с необходимым качеством пучка.

Наиболее подходящими для этих лазеров представляются линейные ускорители, особенно сильноточные индукционные линейные ускорители с  = 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 таких случаях, когда длина волны лазера слишком мала, чтобы можно было применять оптику, угловая расходимость пропорциональна , где d – поперечный размер электронного пучка.

КПД таких лазеров составляет лишь несколько процентов. Выходная мощность 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 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 посредине окна прозрачности атмосферы.