Объемный лазер на свободных электронах

(12) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ ОБЪЕМНЫЙ ЛАЗЕР НА СВОБОДНЫХ ЭЛЕКТРОНАХ(73) Патентообладатели Барышевский Владимир Григорьевич, Батраков Константин Германович(57) 1. Объемный лазер на свободных электронах, включающий пространственно модулированную электродинамическую систему, источник электронного пучка, устройство для пространственной ориентации электродинамической системы относительно пучка электронов, направляющее устройство для проводки электронного пучка относительно электродинамической системы, отличающийся тем, что пространственно модулированная электродинамическая система выполнена, ориентированной заданным законом образом относительно вектора скорости пучка электронов, так, чтобы ее ориентация и пространственная периодичность были бы связаны условиями синхронизма и условиями многоволновой дифракции в соответствии со следующими уравнениями- частота излучения электромагнитной волны,- волновой вектор электромагнитной волны,вектор скорости электронного пучка,-векторы обратной решетки, определяемые ориентацией и структу 594 2 2- набор векторов обратной решетки,- периоды простран ,и структурой решетки,,3 21 ственной решетки, , ,- целые числа,1, , 1, где 1 - количество волн, принимающих участие в процессе дифракции,-частота осцилляторного движения электрона во внешнем поле (если внешнее поле отсутствует, то 0),при этом пространственно модулированная электродинамическая система выполнена с возможностью управления ее ориентации относительно вектора скорости пучка электронов для достижения условий кратного вырождения дифракционных корней с зависимостью мнимой части решения дисперсионного уравнения от плотности электронного пучка, определяемой выражением 1 /3- лэнгмюровская частота электронного пучка,- коэффициент связи электромагнитной волны с электронным пучком. 2. Объемный лазер на свободных электронах, отличающийся тем, что он снабжен, по меньшей мере,двумя источниками электронного пучка с возможностью генерации пространственно разнесенных электронных пучков, преимущественно распространяющихся параллельно и/или концентрично расположенных друг относительно друга. 3. Объемный лазер на свободных электронах по п. 1, отличающийся тем, что электродинамическая система выполнена, по меньшей мере, с одним каналом выбранного поперечного сечения для проводки электронного пучка через канал. 4. Объемный лазер на свободных электронах по любому из пп. 1-2, отличающийся тем, что электродинамическая система снабжена устройством для изменения геометрического положения электродинамической системы. 5. Объемный лазер на свободных электронах по любому из пп. 1-3, отличающийся тем, что электродинамическая модулированная система выполнена, по меньшей мере, с двумя периодами пространственной модуляции электромагнитных свойств, имеющими разные вектора обратной решетки, таким образом, что одна система пространственной модуляции, взаимодействуя с электронным пучком, создает электромагнитную волну, а другая система модуляции обеспечивает резонансные условия синхронизма с электронным пучком и дифракции для волны с большей частотой, соответствующей другой системе модуляции. 6. Объемный лазер на свободных электронах по любому из пп. 1-3, отличающийся тем, что электродинамическая система выполнена из диэлектрического материала. 7. Объемный лазер на свободных электронах по любому из пп. 1-3, отличающийся тем, что электродинамическая система выполнена целиком из электропроводящего материала. 8. Объемный лазер на свободных электронах по любому из пп. 1-3, отличающийся тем, что упомянутая система выполнена целиком из полупроводникового материала. 9. Объемный лазер на свободных электронах, по любому из пп. 1-6, отличающийся тем, что электродинамическая система 1 выполнена из композитного материала на основе диэлектриков и/или проводников и/или полупроводников. 10. Объемный лазер на свободных электронах по любому из пп. 1-7, отличающийся тем, что электродинамическая система выполнена в виде набора периодически расположенных в пространстве отдельных элементов для обеспечения требуемых электродинамических свойств системы. 11. Объемный лазер на свободных электронах по любому из пп. 1-8, отличающийся тем, что, по меньшей мере, один элемент упомянутой системы выполнен в виде дифракционной решетки. 12. Объемный лазер на свободных электронах по любому из пп. 1-9, отличающийся тем, что, по меньшей мере, один упомянутый элемент системы выполнен в виде магнитостатического вигглера. 13. Объемный лазер на свободных электронах по любому из пп. 1-10, отличающийся тем, что, по меньшей мере, один упомянутый элемент системы выполнен в виде электростатического вигглера. 14. Объемный лазер на свободных электронах, согласно п. 1, отличающийся тем, что упомянутое устройство для проводки пучка снабжено устройством для поворота вектора скорости упомянутого пучка относительно выбранного пространственного положения упомянутой системы. 5945. Маршалл Т. Лазеры на свободных электронах. М. Мир, 1986. - С. 338. 6.,-, 1953, . 91. - . 1069. 7.5, 790, 585,, 1998 (прототип). 8. Чжан Ш. Многоволновая дифракция рентгеновских лучей в кристаллах. 1987. - Мир. - С. 334. 9. Ерохин Н.С., Кузнецов М.В, Моисеев С.С. Неравновесные и резонансные процессы в плазменной радиофизике. - М. Наука, 1982. - С. 273. 10.,,, 1991. Полезная модель относится к области электроники, в частности к генераторам и усилителям когерентного электромагнитного излучения - лазерам на свободных электронах-ЛСЭ, основанным на взаимодействии электронного пучка с электродинамической структурой, имеющей периодическую пространственную модуляцию электромагнитных свойств, например диэлектрической проницаемости. Полезная модель связана, главным образом, с устройством, основанным на технологии генерации когерентного электромагнитного излучения в широком диапазоне частот и технологии перестройки длины волны генерируемого излучения в сантиметровом миллиметровом диапазоне и в субмиллиметровом - оптическом диапазоне. Преимущественными областями применения таких источников излучения в упомянутом диапазоне являются создание источников излучения с перестройкой частоты для радаров (сантиметровый - миллиметровый диапазон), создание источников излучения с перестройкой частоты для спектроскопических исследований(субмиллиметровый-оптический диапазон), создание источников излучения для обработки поверхностей материалов, создание мощных когерентных источников излучения в широком диапазоне частот для беспроводной передачи энергии и информации, создание лазеров для нагрева термоядерной плазмы в термоядерных реакторах. Известен ЛСЭ ондуляторного типа, состоящий из источника электронного пучка, электронного пучка,ондулятора или вигглера, создающего поперечное относительно направления движения пучка электронов магнитное поле с продольной, вдоль оси движения электронов, пространственной модуляцией, направляющего устройства, обеспечивающего проводку упомянутого электронного пучка и резонатора. Обычно используется открытый резонатор, состоящий из двухзеркальной системы, соосной с направлением движения пучка электронов, в диапазоне сантиметровых и миллиметровых длин волн применяется закрытый резонатор, состоящий из двухзеркальной системы и волновода, соосного направлению движения электронов 1. Перестройка длины волны излучения в таком ЛСЭ может быть обеспечена только изменением энергии электронов и магнитного поля ондулятора, что, для задач очень быстрой перестройки, при высокой мощности пучка и большой величине магнитного поля, является сложной технической проблемой. Кроме того, создание генератора на основе такого ЛСЭ в миллиметровом и субмиллиметровом диапазонах длин волн возможно только на пучках высокой энергии (несколько МэВ и выше). Существуют также трудности, связанные с перестройкой волны излучения ввиду того, что данный тип генератора оптимизирован, как правило, под конкретную частоту излучения. Коэффициент усиления ЛСЭ ондуляторного типа прямо пропорционален плотности электронного пучка в степени 1/3. Для создания генераторов излучения с минимальной длиной взаимодействия пучка с электродинамической структурой (и, как следствие с минимальной длиной резонатора) это требует генерации и проводки электронных пучков, обладающих высокой плотностью тока (высокого порога генерации), что, являясь, само по себе сложной задачей, ухудшает условия работы электродинамических систем, взаимодействующих с пучком. Известен ЛСЭ на основе эффекта Черенкова, состоящий из источника электронного пучка, электродинамической структуры, представляющей диэлектрическую трубу или цилиндрическую диэлектрическую втулку, или набор этих элементов, или диэлектрическую пластину, электронного пучка, распространяющегося вдоль электродинамической структуры, направляющего устройства, обеспечивающего проводку упомянутого электронного пучка относительно электродинамической структуры 2. Длину волны генерируемого излучения в такой системе определяют величиной диэлектрической проницаемости диэлектрика, его геометрическими свойствами и энергией электронов. Изменение длины волны излучения в таком ЛСЭ также осуществляют путем изменения энергии электронного пучка, что в случае пучков большой мощности создает большие сложности. Электронный пучок в таком ЛСЭ взаимодействует с волной, возбуждаемой в электродинамической системе, амплитуда которой экспоненциально спадает при удалении от поверхности электродинамической структуры. Эффективность генерации при этом определяется минимальным расстоянием между поверхностью структуры и пучком. Известен ЛСЭ на основе эффекта Смит-Парселла, состоящий из источника электронного пучка, электродинамической структуры, представляющий геометрически профилированная поверхность, вдоль которой распространяется электронный пучок, электронного пучка, распространяющегося вдоль электродинамической структуры, направляющего устройства, обеспечивающего проводку упомянутого электронного пучка относительно электродинамической системы, резонатора электромагнитного излучения 3-6. 3 594 Изменение длины волны излучения в таком ЛСЭ также осуществляют путем изменения энергии электронного пучка, что в случае пучков большой мощности создает большие сложности. Существуют также трудности, связанные с перестройкой волны излучения, ввиду того, что данный тип генератора оптимизирован, как правило, под конкретную частоту излучения. Кроме того, электронный пучок в таком ЛСЭ взаимодействует с волной, возбуждаемой в электродинамической системе, амплитуда которой экспоненциально спадает при удалении от поверхности электродинамической структуры. Эффективность генерации при этом определяется минимальным расстоянием между поверхностью структуры и пучком. При генерации сверхмощных (более ГВт) электромагнитных импульсов в этом случае возникает проблема стойкости генератора. В случае увеличения поверхности взаимодействия за счет увеличения поперечных по отношению к движению электронного пучка размеров сечения пучка и электродинамической системы, в перечисленных выше типах ЛСЭ возникает очень серьезная проблема селекции мод излучения. Коэффициент усиления такого ЛСЭ также прямо пропорционален плотности электронного пучка в степени 1/3, и обладает теми же недостатками, связанными с этим, что и ЛСЭ ондуляторного типа. Прототипом полезной модели является дифракционный ЛСЭ предложенный Дж. Уолшем, включающий источник электронного пучка, электродинамическую систему, состоящую из дифракционной решетки и боковых зеркал 7. Основными недостатками прототипа являются невозможность перестройки длины волны излучения без изменения энергии пучка электронов, невозможность генерации излучения высокой мощности из-за поверхностного характера взаимодействия электроного пучка с электродинамической системой. Задачей полезной модели является устранение недостатков, описанных выше, а именно обеспечение плавной перестройки длины волны излучения повышение коэффициента усиления при одних и тех же параметрах электронного пучка и понижение порога генерации обеспечение объемного взаимодействия поля возбужденной электродинамической структуры с электронным пучком. Поставленная задача достигается тем, что объемный лазер на свободных электронах (ОЛСЭ), включающий пространственно модулированную электродинамическую систему, источник электронного пучка, устройство для пространственной ориентации электродинамической системы относительно пучка электронов,направляющее устройство для проводки электронного пучка относительно электродинамической системы,согласно полезной модели, пространственно модулированная электродинамическая система выполнена, ориентированной заданным законом образом относительно вектора скорости пучка электронов, так чтобы ее ориентация и пространственная периодичность были бы связаны условиями синхронизма и условиями многоволновой дифракции в соответствии со следующими уравнениями- частота излучения электромагнитной волны,- волновой вектор электромагнитной волны,- вектор скорости электронного пучка,-векторы обратной решетки, определяемые ориентацией и структурой 2 2 2- набор векторов обратной решетки,- периоды пространственной ре ,решетки,,3 21 шетки, , ,- целые числа,11, где 1 - количество волн, принимающих участие в процессе дифракции, - частота осцилляторного движения электрона во внешнем поле (если внешнее поле отсутствует, то 0),при этом пространственно модулированная электродинамическая система выполнена с возможностью управления ее ориентации относительно вектора скорости пучка электронов для достижения условий кратного вырождения дифракционных корней с зависимостью мнимой части решения дисперсионного уравнения от плотности электронного пучка определяемой выражением 1 /3- лэнгмюровская частота электронного пучка,- коэффициент связи электромагнитной волны с электронным пучком. В объемном лазере на свободных электронах электродинамическая система выполнена, по меньшей мере,с одним каналом выбранного поперечного сечения для проводки электронного пучка через канал. В объемном лазере на свободных электронах электродинамическая система снабжена устройством для изменения геометрического положения электродинамической системы. 4 594 В объемном лазере на свободных электронах электродинамическая система выполнена из диэлектрического материала. В объемном лазере на свободных электронах электродинамическая система выполнена целиком из электропроводящего материала. В объемном лазере на свободных электронах упомянутая система выполнена целиком из полупроводникового материала. В объемном лазере на свободных электронах электродинамическая система выполнена из композитного материала на основе диэлектриков и/или проводников и/или полупроводников. В объемном лазере на свободных электронах лектродинамическая система выполнена в виде набора периодически расположенных в пространстве отдельных элементов для обеспечения требуемых электродинамических свойств системы. В объемном лазере на свободных электронах, по меньшей мере, один элемент упомянутой системы выполнен в виде дифракционной решетки. В объемном лазере на свободных электронах, по меньшей мере, один упомянутый элемент системы выполнен в виде магнитостатического вигглера. В объемном лазере на свободных электронах, по меньшей мере, один упомянутый элемент системы выполнен в виде электростатического вигглера. В объемном лазере на свободных электронах, упомянутое устройство для проводки пучка снабжено устройством для поворота вектора скорости упомянутого пучка относительно выбранного пространственного положения упомянутой системы. В объемном лазере на свободных электронах упомянутая система дополнительно снабжена устройством для изменения выбранного положения упомянутой системы относительно вектора скорости упомянутого пучка. В объемном лазере на свободных электронах электродинамическая система может быть выполнена, например, в виде концентрических дифракционных решеток. Для лучшего понимания полезной модели она поясняется следующими чертежами, где Фиг. 1 - общая схема ОЛСЭ. Фиг. 2 - исполнение объемной электродинамической системы в виде двух дифракционных решеток и ленточного электронного пучка, распространяющегося вдоль электродинамической системы. Фиг. 3 - то же, что фиг. 2, вид сверху без позиции 8 . Фиг. 4 - в ОЛСЭ электродинамическая система выполнена в виде решетки из стержней металлических,диэлектрических, полупроводниковых. Фиг. 5 - ОЛСЭ, выполненный из цилиндрических пучков электронов, распространяющихся сквозь электродинамическую систему в виде пространственной структуры, собранной из нитей. Фиг. 6 - ОЛСЭ, выполненный на коаксиально расположенных пучках электронов, распространяющихся сквозь электродинамическую систему в виде концентрических трубчатых дифракционных решеток. Фиг. 7 - трубчатая дифракционная решетка с двумя системами периодических неоднородностей, например, двух систем пазов, повернутых друг относительно друга под углом в диапазоне 0-180 с различным периодом пазов, при этом электродинамическая модулированная система имеет исполнение, по меньшей мере,с двумя периодами пространственной модуляции электромагнитных свойств, имеющими разные вектора обратной решетки, таким образом, что одна система пространственной модуляции, взаимодействуя с электронным пучком создает электромагнитную волну, а вторая система модуляции обеспечивает резонансные условия синхронизма и дифракции этой волны с пучком, согласно соотношения 1, что приводит к генерации излучения на более короткой длине волны. Фиг. 8 - схема дифракционнной решетки с двумя системами периодических неоднородностей, показывающая относительное расположение неоднородностей и вектора скорости электронного пучка. Фиг. 9 - ОЛСЭ с установленным дополнительным ондулятором. Фиг. 10 - схема взаимного расположения ондулятора и дифракционных решеток по фиг. 9. Фиг. 11 - схема взаимного расположения вектора обратной решетки относительно волновых векторов излучения в геометрии двухволновой дифракции Лауэ. Фиг. 12 - вид дисперсионных кривых зависимости волновых чисел от параметра отклонения Брэгга для случая двухволновой дифракции Лауэ. Фиг. 13 - схема взаимного расположения вектора обратной решетки относительно волновых векторов излучения в геометрии двухволновой дифракции Брэгга. Фиг. 14 - вид дисперсионных кривых зависимости волновых чисел от параметра отклонения Брэгга для случая двухволновой дифракции Брэгга. Фиг. 15 - схема взаимного расположения векторов обратной решетки относительно волновых векторов излучения в геометрии трехволновой дифракции Лауэ. Фиг. 16 - вид дисперсионных кривых зависимости волновых числа от параметра отклонения Брэгга для случая трехволновой дифракции Лауэ. 5 594 Фиг. 17 - схема взаимного расположения векторов обратной решетки относительно волновых векторов излучения в геометрии трехволновой дифракции Брэгг-Брэгг. Фиг. 18 - вид дисперсионных кривых зависимости волновых числа от параметра отклонения Брэгга для случая трехволновой дифракции Брэгг-Брэгг. Объемный лазер на свободных электронах, включает пространственно модулированную электродинамическую систему 1, источник 2 электронного пучка 3, расположенный вне электродинамической системы 1,устройство 4 для пространственной ориентации электродинамической системы 1 относительно пучка 3 электронов, направляющее устройство 5 для проводки электронного пучка 3 относительно электродинамической системы 1. Пространственно модулированная электродинамическая система выполнена, ориентированной заданным законом образом относительно вектораскорости пучка 3 электронов, так, чтобы ее ориентация и пространственная периодичность были бы связаны условиями синхронизма и условиями многоволновой дифракции в соответствии, со следующими уравнениями- периоды пространственной решетки ,- целые числа,11, где 1- количество волн, принимающих участие в процессе дифракции, - частота осцилляторного движения электрона во внешнем поле (если внешнее поле отсутствует, то 0),при этом пространственно модулированная электродинамическая система 1 выполнена с возможностью управления ее ориентации относительно вектораскорости пучка 3 электронов для достижения условий кратного вырождения дифракционных корней с зависимостью мнимой части решения дисперсионного уравнения от плотности электронного пучка определяемой выражением 1 /3- коэффициент связи электромагнитной волны с электронным пучком. Вышеприведенные математические зависимости выведены расчетным путем и подтверждены экспериментально при материализации лазера. В объемном лазере на свободных электронах электродинамическая система выполнена по фиг. 2, по меньшей мере, с одним каналом 6 выбранного поперечного сечения для проводки электронного пучка 3 через канал 6. Электродинамическая система 1 снабжена устройством 4 для изменения геометрического положения электродинамической системы 1 и электронного пучка 3 друг относительно друга для перестройки длины волны излучения. В объемном лазере на свободных электронах электродинамическая система выполнена по фиг. 3, по меньшей мере, с одним каналом 6 выбранного поперечного сечения для проводки электронного пучка 3 через канал 6. При этом скоростьэлектронного пучка 3 и штрихи 11 дифракционной решетки могут составлять произвольный угол. В зависимости от требований к технико-экономическим характеристикам в лазере по фиг. 1-10 электродинамическая система 1 может быть выполнена из диэлектрического материала, например, кремния, окиси алюминия, сапфира и т.д., а также может быть электродинамическая система 1 выполнена целиком из электропроводящего материала, например, из тантала, молибдена, серебра и т.д. Для требуемого сочетания электродинамических свойств электродинамическая система 1 может быть выполнена целиком из полупроводникового материала, например, арсенида галлия и т.п. Для расширения технологических возможностей электродинамическая система 1 может быть выполнена из композитного материала на основе диэлектриков и/или проводников и/или полупроводников. Электродинамическая система 1 по фиг. 4 может быть так же выполнена в виде набора периодически расположенных в пространстве отдельных элементов 7 для обеспечения требуемых электродинамических свойств системы. По меньшей мере, один элемент 7 упомянутой системы 1 может быть выполнен в форме дифракционной решетки. По фиг. 2 - две решетки 8, 9. 594 По меньшей мере, один упомянутый элемент 7 системы выполнен в виде магнитостатического вигглера(фиг. 9, 10). По меньшей мере, один упомянутый элемент 7 системы выполнен в виде электростатического вигглера(фиг. 9, 10). В объемном лазере на свободных электронах по фиг. 1, устройство 5 для проводки пучка 3 снабжено устройством 10 для поворота вектораскорости упомянутого пучка 3 относительно выбранного пространственного положения упомянутой системы 1. В лазере система 1 дополнительно снабжена устройством 4 для изменения выбранного положения упомянутой системы 1 относительно вектораскорости упомянутого пучка 3 (фиг. 2). Сквозь электродинамическую систему 1 распространяется электронный пучок 3, инжектируемый источником 2 электронного пучка 3. Векторскорости электронного пучка 3 определяется ведущим магнитным полем в зоне распространения пучка 3, создаваемым магнитной системой 5. Электродинамическая система 1 может быть выполнена по фиг. 2 в виде двух параллельно расположенных дифракционных решеток 5, 6, со штрихами 11, ориентированными под определенным угломк векторускорости пучка 3 электронов, а пучок 3 - иметь плоскую форму 12, как показано на фиг. 2. Кроме того, в ОЛСЭ электродинамическая система фиг. 4 может быть выполнена, например, в виде решетки из стержней 7 (металлических, диэлектрических, полупроводниковых), расстояние А между которыми и пространственное положение их относительно вектораскорости пучка электронов определяются условиями синхронизма и условиями Брэгга, а пучок 3 электронов создают в виде набора плоских пучков 13 по фиг. 4, распространяющихся параллельно друг другу сквозь эту решетку из стержней 7. Такой вариант выполнения электродинамической системы и пучка электронов изображен на фиг. 4. Кроме того, в таком ОЛСЭ электродинамическая система может быть выполнена, например, в виде натянутых нитей 14, фиг. 5 (металлических, диэлектрических, полупроводниковых, композиционных), образующих пространственно-периодическую решетку из этих нитей, при этом расстояние В между ними и их пространственное положение определяют условиями синхронизма и условиями Брэгга, а пучок электронов создают в виде набора круглых пучков 15, распространяющихся параллельно друг другу сквозь эту решетку. Такой вариант выполнения электродинамической системы и пучка 15 электронов изображен на фиг. 5. Кроме того, в ОЛСЭ электродинамическая система может быть выполнена, например, в виде концентрических дифракционных решеток 16 по фиг. 5, вложенных одна в другую. Электронный пучок в таком ОЛСЭ создают в виде трубчатых электронных пучков 17, распространяющихся в зазорах С между концентрическими дифракционными решетками 16, как это показано на фиг. 6. На внутренней и(или) наружной поверхностяхкаждой из дифракционных решеток 16 нанесены штрихи 18 расстояние Е между которыми и их пространственное положение относительно вектораскорости электронов определяют условиями синхронизма и условиями Брэгга, как это изображено на фиг. 7. По фиг. 8 схема дифракционнной решетки, выполненной с двумя системамиис периодами 1 и Т 2 периодических неоднородностей, показывающая относительное расположение неоднородностей и вектора скорости электронного пучка 13, при этом одна система неоднородностей создает электромагнитную волну,а другая система неоднородностей создает резонансные условия для генерации волны с другой частотой,большей или меньшей. Кроме того, в состав электродинамической системы может быть включен ондулятор 19, типаилитак, как показано на фиг. 9, 10. Взаимное положение дифракционных решеток 8, 9 и ондулятора 19 показано на фиг. 10. В геометрии двухволновой дифракции Лауэ, изображенной на фиг. 11 проекции волновых векторовина направление нормали к математическим сечениям 20 начала-конца электродинамической системы, ограничивающим электродинамическую систему 1 имеют одинаковый знак. При этом не возникает пересечений дифракционных корней, как следует из фиг. 12, на которой приведены графики решений дисперсионного уравнения , соответствующих этому случаю, в результате закон развития неустойчивости принимает вид, обычный для стандартных ЛСЭ. Но уже начиная с двухволновой геометрии дифракции Брэгга, изображенной на фиг. 13, когда проекции волновых векторовина направление нормали имеют разные знаки, возникают особые точки - точки пересечения дифракционных корней на графиках зависимости(фиг. 14), в которых изменяется закон развития неустойчивости и темп наработки излучения существенно увеличивается. На фиг. 14 эти точки соответствуют точкам пересечения прямых с кривыми. Дополнительные возможности появляются при многоволновых геометриях дифракции. В частности, из фиг. 17, 18 следует, что при трехволновой дифракции в геометрии Брэгг-Лауэ возможность пересечения корней возникает в большем количестве точек, кроме того, возникает возможность трехкратного вырождения корней. В трехволновой геометрии Лауэ, когда , 1 и 2 имеют одинаковый знак проекции (фиг. 15,16), как и в двухволновой геометрии Лауэ точки пересечения отсутствуют. Ниже приведено описание работы ОЛСЭ. 594 Электромагнитные моды электродинамической системы в виде периодической структуры описываются функциями Блоха Здесь,- функция, периодическая относительно смещения на периоды трансляционной симметрии структуры,- радиус вектор. Закон дисперсии связывает частоту модыс бесконечным набором волновых векторов,,где 1, 2, 3 - элементарные трансляционные периоды структуры, , 2 ,3 - произвольные целые числа,каждый набор этих чисел связан с определенной пространственной гармоникой и каждой гармонике отвечает своя фазовая скорость, выражающаяся уравнением/. (4) Пространственные гармоники, находящиеся вблизи условия резонансной связи с электронным пучком участвуют в отборе у него энергии.- частота, связанная с движением электронного пучка во внешних полях (ондуляторная, циклотронная, строфотронная и т.д.). При свободном распространении электронного пучка(черенковское, Смит-Парселловское, переходное излучения 0). Если система состоит из чередования периодических структур с различными периодами и вакуумных промежутков, то результирующая мода электромагнитного излучения определяется в результате сшивки решений на границах раздела. Дальнейшее понимание механизма объемной связи в ОЛСЭ может быть получено при рассмотрении дисперсионных соотношений для электромагнитных мод объемного генератора, т.е. объемного резонатора плюс пронизывающий ее электронный пучок. Символически дисперсионное уравнение, т.е. уравнение, связывающее между собой частотуи волновой вектор к, записывается в форме здесь, в качестве примера, явно выделены некоторые управляющие параметры системы, такие как поперечный размер периодической структуры , зазор между разными элементами структуры . В зависимости от вида системы основными параметрами, описывающими процесс, могут быть другие величины. Как правило,это уравнение является трансцендентным и имеет бесконечное количество решений. Однако в большинстве случаев существенным является только конечное их число. Дисперсионное уравнение содержит волновые векторы объемной структуры. Очевидно, что благодаря этой зависимости можно путем плавного изме нения геометрии плавно изменять частоту в широком спектральном диапазоне. Важной особенностью объемного резонатора является существование особых точек дисперсионного уравнения, в которых происходит вырождение корней этого уравнения. Специальный выбор объемной геометрии позволяет согласовать условия вырождения нескольких ветвей с резонансным условием взаимодействия электродинамической системы с электронным пучком. В этих особых точках возникает более сильная связь электромагнитной волны с электронами пучка и процесс бунчировки протекает более эффективно. Групповая скорость волны вблизи этих точек становится малой, и излучение удерживается в области взаимодействия. В зависимости от количества пространственных гармоник эффективно участвующих в процессе формирования моды возможна реализация различных многоволновых схем генерации. На фиг. 11-14 показаны геометрия дифракции и ветви дисперсионной зависимости в двухволновом случае, когда две сильно связанных волны формируют электродинамическую моду. В зависимости от геометрии системы даже в этом простом случае возможны различные варианты 1) ветви не пересекаются и фазовая скорость, соответствующая векторуна любой точке одной из ветвей всегда больше, а на другой всегда меньше фазовой скорости, отвечающей усредненной диэлектрической восприимчивости (геометрия Лауэ, обе волны направлены в одном направлении относительно оси системы) 2) существуют точки пересечения ветвей(геометрия Брэгга, волны распространяются в разных направлениях относительно оси системы). В случае,когда в формировании моды участвует большее количество пространственных гармоник, возникает более сложная ситуация, которая предоставляет большие возможности для выбора оптимальных условий взаимо 8 594 действия. В качестве еще одного примера на фиг. 15-18 приведены геометрия дифракции ветви решений дисперсионного уравнения в трехволновом случае в различных геометриях (Лауэ, Лауэ-Брэгга). При пролете электронного пучка через пространственно периодическую структуру когерентное излучение возникает на частотах, отвечающих резонансному взаимодействию электронов с электромагнитной волной. В случае с объемным ЛСЭ (ОЛСЭ) благодаря объемному характеру возникают разнообразные возможности для плавной и быстрой перестройки генерируемой длины волны. В полезной модели реализована возможность перестройки частоты 1) за счет плавного изменения геометрии системы путем поворота ее элементов 2) за счет поворота скорости электронного пучка относительно решетки 3) за счет плавной перестройки свойств электродинамической структуры во времени 4) за счет изменения энергии электронного пучка. Спектр излучаемых частот определяется методом слабосвязанных волн 9 определяется путем совместного решения дисперсионного уравнения, описывающего электродинамические моды резонатора и резонансного условия взаимодействия электронов с электромагнитной волной,, , ,0 Эти выражения описывают спектр когерентного излучения в пространственно периодической структуре в общем случае - учитывается возможность черенковского 00,0 , переходного 00,0 , онду ляторного или строфотронного 000 и т.д. Для эффективного обмена энергией между электронным пучком и электромагнитной волной, как упоминалось выше, необходимо, чтобы параметры системы находились в области соответствующего резонанса(черенковского, ондуляторного, циклотронного и т.д.). В случае объемной распределенной системы существуют особые точки на области значений частот, волновых векторов и управляющих параметров (в число которых входят параметры, определяющие геометрию электродинамической системы, энергия электронов и т.д.). В этих особых точках сразу несколько электромагнитных мод удовлетворяют резонансным условиям одновременно. В результате, в области параметров вблизи особых точек, электронный пучок более интенсивно взаимодействует с электромагнитной волной. На линейной стадии генерации излучения этот процесс взаимодействия описывается дисперсионным уравнением Здесь- безразмерный коэффициент связи электронного пучка с электромагнитной волной,2 4 2/- квадрат Лэнгмюровской частоты электронного пучка,- плотность электронного пучка. Представляя функциюв виде (-1(,(-2(,(-1(,/, где (,),-1 моды резонатора, эффективно взаимодействующие с пучком электронов в -волновом случае. При параметрах системы, соответствующих вырождению корней, в приближении слабосвязанных мод получается следующая зависимость мнимой части продольного модового числа от плотности электронного пучка 1 /3. В условиях когда лэнгмюровская частота значительно меньше частоты излучения(- инкремент вдали от условий вырождения. В соответствующих особых точках процесс генерации развивается значительно эффективнее. При выполнении указанных условий возникает объемная распределенная обратная связь излучения, формирующегося в системе периодическая структурапучок, на электронный пучок. В ОЛСЭ порог генерации достигается при более низких значениях тока, а при заданном токе при меньших размерах генератора. В 1 частности, стартовый ток генерации пропорционален 1 10, здесь- безразмерный пара метр, описывающий модуляцию электродинамических свойств периодической системы,- длина области взаимодействия вдоль направления скорости электронного пучка. В результате, в условиях развитой динамической дифракции 1 8 стартовое значение тока в области вырождения существенно меньше (или при одном и том же значении тока генератор может быть более компактным). Для обеспечения перестройки характеристик излучения при работе такого лазера, пространственное расположение электродинамической системы относительно направления распространения пучка электронов,характеристики пространственной модуляции электродинамической системы и направление распростране 9 594 ния пучка относительно расположения электродинамической системы могут изменяться с помощью устройства проводки электронного пучка и устройства изменения пространственной ориентации электродинамической системы и устройств изменения характеристик пространственной модуляции электродинамической системы, при соблюдении условий многоволновой дифракции Брэгга, как это указано выше. На чертеже фиг. 1-8 приведены варианты предлагаемого устройства. Оно содержит электродинамическую систему (1) электронный пучок (2), распространяющийся в электродинамической системе, направляющее устройство для проводки электронного пучка (3) (соленоид, создающий продольное, относительно вектора скорости пучка, магнитное поле), источник электронного пучка (4). Электронный пучок 3, создаваемый источником 2 распространяется в направлении, задаваемом направляющим устройством 5 сквозь электродинамическую систему 1. В процессе взаимодействия электромагнитного поля пучка 3 с электродинамической системой 1 создают электромагнитное излучение, взаимодействие которого с электронным пучком 3 создает в пространстве взаимодействия электронного пучка 3 с электродинамической системой 1 распределенную положительную обратную связь, что приводит к повышению коэффициента усиления ЛСЭ и позволяет разработанный ЛСЭ выделить созданный лазер на свободных электронах в отдельный вид - объемный лазер на свободных электронах. На основании вышеприведенного, с очевидностью, следует обеспечение решаемой задачи заявленной полезной модели, а именно обеспечение плавной перестройки длины волны излучения, согласно системы уравнения (7), что позволяет по сравнению с прототипом использовать полезную модель для реализации резонансных процессов в химии, физике, биологии, а так же для создания источников излучения в широком диапазоне частот для задач связи, локации и направленной передачи энергии в широком диапазоне длин волн излучения, т.е. расширяет технологические возможности одного и того же лазера повышение коэффициента усиления при одних и тех же параметрах электронного пучка и понижение порога генерации, согласно (2), что позволяет изготавливать более компактными генераторы и усилители излучения. Таким образом заявленная полезная модель позволяет получить управляемое распространение электромагнитной волны, при котором она заполняет объем, в котором распространяется электронный пучок в отличие от известных генераторов электромагнитного излучения - ламп обратной волны и ламп-бегущей волны, что обеспечивает объемное взаимодействие поля возбужденной электродинамической структуры с электронным пучком, направленное на увеличение эффективности взаимодействия электронного пучка с полем, и снижает требования к качеству электронного пучка и к системе его проводки и, в конечном итоге, упрощает и удешевляет источник излучения. Промышленное освоение полезной модели ожидается в 2001-2001 гг. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220072, г. Минск, проспект Ф. Скорины, 66.