Лазеры на свободных электронах

создаваемое магнитами
ондуляторы или вигглеры

В процессе движения электрона в

Ускорение электрона периодически меняется, и электрон движется
по пространственно-периодической траектории

Такое движение сопровождается излучением
в направлении движения электрона

Механизм возникновения излучения

поля
зеркало лазера
зеркало лазера
магниты

= Λ/V
Частота изменения ускорения электрона
T-1 = V/Λ
При

При периоде магнитного поля несколько сантиметров длина волны
излучения нерелятивистского случая попадает в радиодиапазон

Если скорость электрона существенно возрастает до скоростей, практически
равных скорости света, то начинают работать релятивистские поправки
специальной теории относительности

на электрон увеличивается до величины
γV/Λ
Возникающий в лабораторной системе

Выражение для длины излучения релятивистского электрона:

1+V/с ≈ 2
Энергия электрона:

напряжение электрического поля, которое необходимо приложить,

Тогда:

масса покоя электрона

При изменении энергии электронов eU в диапазоне от сотен до тысяч
МэВ длины волн излучения электрона попадают в спектральные области
от ультрафиолетовой до инфракрасной

Время тормозного излучения электрона определяется выражением:

циклов излучения равно
числу периодов магнитного поля:
N = L/Λ

Спектр импульса излучения имеет вид:

центральная частота линии излучения

Выражение для ширины линии излучения, оцененной на уровне половины
от максимального значения, имеет вид:

При одной и той же скорости всех электронов, движущихся в магнитном
поле в одном направлении, форма линии одинакова

Форма линии излучения соответствует однородному уширению

с
неоднородностью магнитного поля, угловой расходимости электронного
пучка и разбросом

Источники электронных пучков - ускорители электронных пучков

Режим работы - импульсный

Пикосекундные импульсы представляют собой регулярную
последовательность электронных пакетов

Временной интервал между электронными пакетами, поступающими на вход
системы магнитов, должен быть кратен времени двойного прохода через
резонатор лазера

В этом случае электромагнитное поле в резонаторе имеет вид волновых
пакетов, которые синхронизированы с электронными пакетами и
усиливаются в течение времени существования электронного пакета

последовательности
коротких импульсов, расстояние между которыми кратно времени двойного
прохода

Этот режим генерации практически является режимом синхронизации мод

Для обеспечения достаточной величины коэффициента усиления
напряженность магнитного поля должна быть достаточно большой

Параметры лазера на свободных электронах

Индукция магнитного поля – несколько килогаусс

Энергия электронов в пучке – 20-30 МэВ

Концентрация электронов в пучке - 1011 см-3

Электронные токи – 10-100 А

Коэффициент усиления за один проход – до 10%

Выходная мощность импульса излучения – 10 кВт

ускорителей обеспечивает электронные токи, состоящие из тысяч
электронных пакетов длительностью

В этом случае максимальная выходная мощность
импульса излучения достигает 10 МВт

Рамановские лазеры на свободных электронах

Энергия электронного пучка заметно ниже – порядка 1-2 МэВ

Электронные токи существенно больше – 10-20 кА

Становится сильным электрон-электронное взаимодействие, приводящее
к возникновению коллективных колебаний в электронном пучке, которые
называются плазменными волнами

Излучение возникает из-за рассеяния на плазменных волнах

Частота излучения смещается в область больших длин волн на величину,
соответствующую длине волны колебаний в плазменной волне, аналогично
тому, как это происходит в случае комбинационного рамановского рассеяния

В таких лазерах можно перестраивать длины волн излучения в широких

2. В лазерах на свободных электронах достигаются высокие значения КПД,
что приводит к большим мощностям лазерной генерации

3. Излучение лазеров на свободных электронах имеет высокое качество.
Это обусловлено прежде всего высокой однородностью активной среды, а
также низким уровнем дифракционных потерь. Пучок лазерного излучения
имеет размеры, лишь в малой степени (на несколько процентов)
превышающие величину дифракционного предела

Существенный недостаток лазеров на свободных электронах состоит в том,
что установки являются очень сложными и громоздкими, поскольку для
инжектирования электронных пучков в магнитное поле требуются мощные
и большие ускорители электронов