ЛА́ЗЕР НА СВОБО́ДНЫХ ЭЛЕКТРО́НАХ

ЛА́ЗЕР НА СВОБО́ДНЫХ ЭЛЕКТРО́НАХ (ЛСЭ), ге­не­ра­тор ко­ге­рент­ных элек­тро­маг­нит­ных ко­ле­ба­ний ко­рот­ко­вол­но­во­го диа­па­зо­на (в т. ч. 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 гг. (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: $$ω-𝑘_zv_z≈2πv_z/d,$$где $\omega$, $𝑘_z$ – час­то­та и про­ек­ция вол­но­во­го век­то­ра элек­тро­маг­нит­ной вол­ны на на­прав­ле­ние по­сту­па­тель­но­го дви­же­ния пуч­ка, $v_z$ – про­доль­ная ком­по­нен­та ско­ро­сти элек­тро­нов, $d$ – пе­ри­од он­дуля­тора. Из это­го ус­ло­вия вид­но, что при боль­шой ки­не­тич. энер­гии $W$ элек­тро­на, ко­гда его ско­рость близ­ка ско­ро­сти све­та $c$, дли­на вол­ны из­лу­че­ния $λ=2πc/ω$ ста­но­вит­ся зна­чи­тель­но мень­ше пе­рио­да $d$, а имен­но: $λ≌d/2γ^2$, где $\gamma=1/\sqrt {1-(v/c)^2}$ – ре­ля­ти­ви­ст­ский фак­тор. Для элек­тро­на $W=0,511(\gamma-1)$ МэВ. Важ­ное дос­то­ин­ст­во уби­тро­на – воз­мож­ность пе­ре­стро­ить час­то­ту уси­лен­но­го из­лу­че­ния за счёт из­ме­не­ния энер­гии элек­тро­нов. 

Схема лазера на свободных электронах; N, S – полюса магнитов.

Од­на­ко соз­дать уби­трон, ра­бо­таю­щий в све­то­вом диа­па­зо­не, не­про­сто, т. к. тех­ни­че­ски слож­но по­лу­чить не­пре­рыв­ный и дос­та­точ­но плот­ный ре­ля­ти­ви­ст­ский элек­трон­ный по­ток, за­пол­няю­щий всю об­ласть син­хро­низ­ма в при­бо­ре. В 1980-х гг. об­су­ж­дал­ся про­ект ис­поль­зо­ва­ния для ЛСЭ ин­дук­ци­он­но­го ус­ко­ри­те­ля ки­ло­мет­ро­вой дли­ны с энер­ги­ей элек­тро­нов до 100 МэВ и им­пульс­ным то­ком ок. 10 кА. При дли­тель­но­сти им­пуль­са в де­сят­ки на­но­се­кунд и пе­рио­дич. 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 бóль­ши­ми 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 др. 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 сер. 20 в., 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 др. 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 др. ис­точ­ни­ков ко­ге­рент­но­го из­лу­че­ния с боль­шой мощ­но­стью.