Лазер на свободных электронах

ЛАЗЕР НА СВОБОДНЫХ ЭЛЕКТРОНАХ (ЛСЭ), генератор когерентных электромагнитных колебаний коротковолнового диапазона (в том числе светового), в котором активной средой является поток релятивистских электронов. Идея использования релятивистских электронов для получения коротковолнового электромагнитного излучения на основе Доплера эффекта появилась в 1940-х годах (В. Л. Гинзбург, Г. Мотц). Релятивистский электрон, колеблющийся в статическом пространственно-периодическом магнитном поле, может излучать в направлении своего поступательного движения электромагнитные волны с длиной волны, много меньшей периода неоднородности магнитного поля. Системы такого типа (ондуляторы) давно используются для получения коротковолнового излучения. Однако это излучение некогерентное. Для получения когерентного излучения необходимо создать условия синхронизма движущегося пучка электронов и волны, подобные тем, которые создают в СВЧ-приборах и приборах релятивистской высокочастотной электроники (убитроне, лампе бегущей волны, лампе обратной волны). В этих электронных приборах излучение формируется при образовании неоднородностей (электронных сгустков) в системе электронный поток - электромагнитное поле, приводящих к синфазному (когерентному) излучению. Так, в убитроне (усилителе или генераторе) когерентное микроволновое излучение возникает в результате взаимодействия движущегося в ондуляторе электронного потока с электромагнитной волной, для которых выполняется условие синхронизма:

где ω, k₂ - частота и проекция волнового вектора электромагнитной волны на направление поступательного движения пучка, υ₂ - продольная компонента скорости электронов, d - период ондулятора. Из этого условия видно, что при большой кинетической энергии W электрона, когда его скорость близка скорости света с, длина волны излучения λ =  2πс/ω становится значительно меньше периода d, а именно: λ ≡d/2γ² где γ=√1-(υ/c)²- релятивистский фактор.

Для электрона W = 0,511(γ-1) МэВ. Важное достоинство убитрона - возможность перестроить частоту усиленного излучения за счёт изменения энергии электронов.

Однако создать убитрон, работающий в световом диапазоне, непросто, так как технически сложно получить непрерывный и достаточно плотный релятивистский электронный поток, заполняющий всю область синхронизма в приборе. В 1980-х годах обсуждался проект использования для ЛСЭ индукционного ускорителя километровой длины с энергией электронов до 100 МэВ и импульсным током около 10 кА. При длительности импульса в десятки наносекунд и периодическом следовании импульсов с частотой до 100 импульсов/с это устройство могло быть использовано для получения мощного когерентного излучения в световом диапазоне. Однако обычно используемые сильноточные электронные ускорители прямого действия не создают пучки частиц с такой энергией, а более высокоэнергетичные ускорители формируют релятивистские электронные сгустки с размерами, много меньшими пространства взаимодействия (но много большими длины световых волн). В таких ЛСЭ усиление электромагнитного поля происходит только в пределах электронного макросгустка, полученного в ускорителе (рис.). Это усиление невелико и для создания генератора надо использовать высококачественный открытый резонатор. Для повышения эффективности устройства его параметры подбирают так, чтобы влёт каждого макросгустка в пространство взаимодействия был синхронизован с моментом прихода в эту же область фронта волны, усиленной предыдущим сгустком. Существуют и другие методы, широко применяющиеся в вакуумной СВЧ-электронике, такие как секционирование пространства взаимодействия, введение участков дрейфа, рекуперация электронов.

Хотя идеи использовать релятивистские электронные пучки для получения мощного коротковолнового электромагнитного излучения появились к середине 20 века, их развитие перестало быть актуальным после появления лазеров, имеющих активную среду с большей концентрацией, чем электронные пучки, - газы, твёрдое тело. Однако интерес к ЛСЭ возрос, несмотря на их относительную громоздкость, в связи с их очень большими потенциальными возможностями. ЛСЭ могут работать в весьма широком диапазоне длин волн - от микроволнового до рентгеновского. Кроме убитронов, работающих на ондуляторном излучении, существуют схемы взаимодействия электронного пучка с другими типами излучений (циклотронным, Смита - Парселла излучением) с доплеровским преобразованием частоты - мазеры на циклотронном резонансе, наиболее проработанные для микроволнового диапазона длин волн. Особенно интересно использование ЛСЭ в терагерцевом (субмиллиметровом) диапазоне, где пока нет других источников когерентного излучения с большой мощностью.

Лит.: Гинзбург В. Л. Об изучении микрорадиоволн и их поглощении в воздухе // Известия Академии Наук СССР. Сер. физическая. 1947. Т. 11. № 2; Вайнштейн Л. А., Солнцев В. А. Лекции по сверхвысокочастотной электронике. М., 1973; Генераторы когерентного излучения на свободных электронах. Сб. статей. М., 1983; Тернов И. М., Михайлин В. В., Халилов В. Р. Синхротронное излучение и его применения. 2-е изд. М., 1985; Antokhin Е. А. а.о. First lasing at the high-power free electron laser at Siberian center for photochemical research // Nuclear Instruments anci methods in physics research. 2004. Sec. А. Vol. 528. № 1/2.