1. Целью настоящего методического сообщения является обсуждение некоторых особенностей механизма когерентного оптического излучения релятивистского электронного пучка волнообразной траекторией электронов в приборах, получивших название ондуляторных приборов или лазеров на свободных электронах. Волнообразная траектория электронов формируется специальным блоком, называемом вигглером (так в английском языке называют космический прибор, придающий пряди волос волнообразность). Излучение релятивистским электроном с волнообразной траекторией было впервые теоретически исследовано В.Л. Гинзбургом в 1947 г. [1], который предложил первую конструкцию прибора излучателя и получил формулу lambda = (l)/(2gamma²), (1) связывающую длину излучения lambda с пространственным периодом траектории l и энергией электронов, gamma=(1-u²c²)^-1/2. В рассматриваемом случае вигглер представлял собой периодически меняющееся вдоль оси системы поперечное статическое магнитное поле с периодом l. Из соотношения (1) следует, что при достаточно большом релятивизме (gamma>~= 30>> 1) и миллиметровом шаге вигглера легко реализовать излучение в оптическом диапазоне частот lambda=<sssim 5000 Angstrem. В.Л. Гинзбургом было рассмотрено спонтанное излучение одним электроном. Вместе с тем известно (см. например, [2,3]), что спонтанное излучение большого числа электронов, вообще говоря, малоэффективно. Так, спонтанное излучение полностью однородного немодулированного пучка с волнообразной траекториями отдельных электронов строго равно нулю, т. е. в результате интерпретации полей излучений отдельных несфазированных электронов полное излучение обращается в нуль. Для получения ненулевого спонтанного излучения необходима предварительная продольная модуляция пучка на длине волны излучения. При хорошей модуляции пучка достигается высокая эффективность спонтанного излучения и его когерентность подобно тому, как это имеет место в кластронах в сверхвысокочастотном диапазоне излучения. Вместе с тем высокая эффективность и когерентность излучения автоматически достигаются в ондуляторных генераторах, в которых пучок может быть немодулирован, но имеются зеркала, отражающие излучение от торцов и осуществляющие положительную обратную связь в системе. Это происходит вследствие того, что электроны пучка попадают в поле собственного излучения и начинают вынужденно излучать, причем излучают когерентно и высокоэффективно. Очевидно, вынужденное излучение отдельных электронов пучка имеет место в ондуляторных приборах - усилителях, в которых так называемый задающий генератор подает на вход системы усиливаемое излучение. Начало развития релятивистской электроники относится к концу 50-х годов, когда начала развиваться и квантовая электроника, в рамках которой создавались источники когерентного оптического излучения. Сопоставление механизмов вынужденного когерентного излучения в классичиских релятивистских и квантовых генераторах иллюстрирует корпускулярно-волновой дуализм электрона. В первом случае дискретность спектра излучения определяется дискретностью спектра собственных частот электромагнитных волн, которые могут существовать в "холодной" системе без пучка электронов. Во втором случае электроны переходят из более высокого энергетического уровня в более низкий и соответственно излучают дискретный спектр частот. Сама же электродинамическая система (резонатор) в этой области частот обладает практически непрерывным спектром частот собственных электромагнитных волн. Таким образом, механизмы вынужденного излучения в классических и квантовых приборах существенно различаются и тем не менее в развитии теории этих приборов нашлись общие подходы, что существенно обогатило физику когерентных источников излучения как квантовых, так и классических. В частности, распространение теории квантовых приборов на классические, которое в первую очередь имело место для ондуляторных приборов привело к более глубокому пониманию механизма их работы. Напомним, что при квантовом излучении нагретого термодинамически равновесного тела имеет место спонтанное излучение. Излучение отдельных частиц случайно распределено по фазам и направлениям распространения фотонов. Хотя в пределах каждой спектральной линии частота излучения довольно стабильна, но из-за случайности фаз суммарное излучение некогерентно, а вследствие интерференции ее эффективность практически равна нулю. Однако если в среде реализована инверсная заселенность уровней, то в результате переизлучения фотонов, согласно закону А. Эйнштейна об увеличении вероятности излучения в поле излучения, возникает вынужденное излучение. В результате резко возрастают интенсивность излучения и ее когерентность. Долгое время закон А. Эйнштейна и сам механизм вынужденного излучения считались чисто кавантовыми явлениями. Перенесение квантовой теории излучения на случай классических релятивистских приборов впервые было дано П. Дираком и П. Капицей, рассмотревшим процесс вынужденного излучения релятивистским электронным пучком в поле волнового вигглера, т. е. процесс вынужденного комптоновского рассеяния. Наиболее полно квантовая теория вынужденного ондуляторного излучения, т. е. квантовая теория лазера на свободных электронах изложена в обзоре М. Федорова [4]. Л. Вайнштейн, однако, показал, что при реализуемых параметрах пучка и поля вигглера квантовые эффекты ничтожны и теорию лазеров на свободных электронах можно строить чисто классически, вводя классические вероятности спонтанного и вынужденного излучений и устанавливая классический аналог соотношений А. Эйнштейна. Важно только отметить, что в классической теории вынужденное излучение - нелинейный эффект, возникающий при учете воздействия поля излучения на движение электрона. Подробно роль квантовых эффектов в лазерах на свободных электронах обсуждается в обзоре [5] (см. также цитированную там литературу). В литературе, особенно американской, термин "лазер на свободных электронах" для вынужденного ондулярного излучения очень распространен. С нашей точки зрения, этот термин нельзя считать удачным. Он включает в себя аббревиатуру "вынужденная эмиссия излучения" - лазер и механизм вынужденного излучения воспринимается как чисто квантовое явление. Мы предлагаем использовать термин "ондуляторное излучение", подчеркивая приоритет России в этой области [1]. Для приборов оптического ондуляторного излучения следует пользоваться сокращением ОП, в то время как для приборов радиодиапазона следует сохранить термин "убитрон", широко распространенный в классической нерелятивистской электронике. Классичность ондуляторных приборов легко усмотреть и в условии излучения [2] omega = omega₀ + k_||u, (2) где omega₀=2pi u/l - частота поперечных осцилляций электрона и поле вигглера. В процессе излучения вследствие потерь энергии электрона условие (2) нарушается и, как говорят, излучение насыщается. Для сохранения условия (2) необходимо постепенно вдоль длины ОП уменьшать шаг вигглера l [5] (см. также другие работы в этом сборнике). В этом проявляется аналогия ОП с такими классическими приборами СВЧ диапазона частот, как лампа обратной волны, лампа бегущей волны, гиратрон, клистрон и т. п., в которых для увеличения эффективности излучения медленно меняют какой-либо параметр прибора. Вместе с тем следует отметить, что ондуляторный прибор - сугубо релятивистский прибор и значительного увеличения эффективности излучения таким путем получить невозможно. В связи с этим для увеличения эффективности излучения предлагается использовать метод рекуперации энергии электронов пучка. При этом надо учитывать, что обработанный в ондуляторном приборе пучок промодулирован на длине волны излучения lambda, которая не намного меньше вигглера L. Энергию же пучка следует модулировать на частоте omega₀ или на длине шага вигглера l. Очевидно, что коротковолновая модуляция пучка на длинноволновую никакого влияния не оказывает и это существенно облегчает проблему рекуперации энергии. Достаточно между вигглером и коллектором пучка расположить цепочку резонаторов, осуществляющей длинноволновую модуляцию пучка, отбирая у электронов избыточную энергию. Эту энергию следует передать на входной ускоритель пучка с надлежащим подбором фазы для соблюдения условия резонанса (2). Таким путем, как нам представляется, можно достичь значительного увеличения эффективности излучения в ондуляторных приборах. Важной проблемой является также вопрос о предельной частоте излучения в ондуляторных приборах. Здесь проявляется трудность коротковолновой модуляции пучка на высокой частоте. Упомянутый выше обычный клистронный механизм модуляции скорости электронов при релятивистских энергиях малоэффективен. Альтернативным в этой области энергий эффективным механизмом представляется использование оптического клистрона [6] либо в качестве задающего генератора-модулятора в виде другого маломощного генератора ондуляторного прибора, который как будто бы не имеет ограничений на частоту излучения либо они легко преодолимы.

Подсчитывается количество просмотров абстрактов ("html" на диаграммах) и полных версий статей ("pdf"). Просмотры с одинаковых IP-адресов засчитываются, если происходят с интервалом не менее 2-х часов.

Дата начала обработки статистических данных - 27 января 2016 г.