Айхлер Ю., Айхлер Г.-И. Лазеры. Исполнение, управление, применение (2008) (1095903), страница 46
Текст из файла (страница 46)
Основанные на этом принципе электронно-лучевые лазеры, или лазеры на свободных электронах, обладают очень большими диапазонами перестройки. Наряду с этим велись работы по проблемам уменьшения длины волны лазеров с возможностью дальнейшего продвижения в ультрафиолетовую область и, наконец, в область рентгеновского излучения. Предложения по реализации рентгеновского лазера (разера) можно условно разделить на две основные группы. Во-первых, лазеры на свободных электронах могли бы обеспечить условия для создания коротковолновой области с еще меньшими длинами волн.
Во-вторых, они способны открыть путь к применению высокоионизированных плазм. Ионы с большим 1~~те! ° л !!. л р нн р ч ! ! у числом зарядов отличаются электронными состояниями высокой энергии с образованием на переходах рентгеновского излучения. Самая короткая из возможных пока длин волн составляет порядка 4 нм. Как лазеры на свободных электронах, так и рентгеновские лазеры остаются пока еще довольно дорогостоящим оборудованием и существуют лишь в немногих лабораториях. Но ведется активная работа над созданием компактного устройства такого типа. 11.1.
Электронно-лучевые лазеры У электронно-лучевого лазера используются разные механизмы генерации света посредством электронных лучей. В известных до сих пор исполнениях излучение создается электронами, генерирующими в периодическом магнитном поле. Ускоренные таким образом электроны испускают свет, образующий на основе обратной связи между двумя зеркалами когерентный, направленный лазерный пучок.
Конструкпу иеное исполнение Энергия у лазера на свободных электронах возникает из потока высокоэнергетических электронов, обладающих релятивистскими скоростями, то есть скоростями, близкими к скорости света. До сих пор здесь использовалась энергия в несколько десятков МэВ и выше, дополняемая ускорителями электронов. Согласно рис.
1! .1 электронный луч управляется статическим, поперечным, пространственно-периодическим магнитным полем, создаваемым группой магнитных полюсов с переменной полярностью. Среди соответствующих элементов конструкций электронных кольцевых ЗУ для создания синхротронного излучения указываются такие структуры магнитного поля, как вигглер-магниты (с экспоненциальным законом убывания), или ондуляторы, но, в принципе, можно подумать и о других электрических или магнитных структурах поля. Электроны описывают в поперечном магнитном поле обусловленную лоренцевой силой колебательную траекторию.
В результате этого движения посылается, преимущественно в направлении луча, и усиливается поляризованная электромагнитная волна определенной частоты. Для достижения генерации лазерного излучения используется оптический резонатор. Электронный луч, проходя сбоку мимо зеркал (см. рис. 11.1), инжектируется в структуру магнитного поля. Предполагается, что рентгеновские лазеры на свободных электронах будут однопроходными системами, или сверхизлучателями (без обратной связи). Электронный луч р)<ае!й луч Зеокало резонатора Попеоечное магннтйое поле Зеокало резонатора Рес. 11.1.
Конструкция электронно-лучевого лазера с оидулятором Спонтанное излучение Прежде чем приступить к описанию выходящего излучения электрона, представим сначала систему координат, перемещающуюся вместе с электроном в направлении излучения: в такой системе электрон выполняет синусоидальное колебание. При этом получают дипольный излучатель, характеристика излучения которого представлена на рис.
11.2. Для определения длины волны придется воспользоваться специальной теорией относительности, ибо электрон обладает скоростью, близкой к скорости света, например, у = 0,99993 с. На основе продольного сжатия период ондулятора в совместно движущейся системе сокращается в у раз: у =,, = Е/тс', (11.1) (1 — (у/с) ) где Е есть энергия электрона, а лзс'= 0,511 Мэ — энергия покоя. Таким образом, в системе, одновременно движущейся почти со скоростью света, генерируется линейно поляризованная волна с длиной: (11.2) причем А есть длина волнового периода.
/ / / / / / \ / Ряс. 11д. Конус (днпольного) излучения электрона в совместно движущейся системе О = 1/'у (11.3) 1 а-— у Ряс. 11.3. Конус излучения электрона в лабораторной системе. Излучение соответствует спонтанному испусканию Излучаемая длина волны в результате релятивистского эффекта Доплера претерпевает укорочение в прямом направлении, так что в лабораторной системе длина волны принимает вид: )3 =Хе (1 — (у/с) / /(! + у/с) = Ь (1 — у/с) = 1/2у'. (11.4) В результате обратного преобразования в лабораторную систему получается сильно деформированный конический пучок, показанный на рис. 11.3. Как и при синхротронном излучении, в данном случае непускание осуществляется практически только в прямом направлении с углом расхождения: (иь а* л.л .р аэ р, р Для периодов ондулятора А = 2 ем получают, например, величины, приведенные в таблице 11.1.
Видимую область спектра можно растянуть при этом до ультрафиолетовой области и вгпотную приблизиться к области рентгеновского излучения. табаева 11.1. СПОНтаННОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ ЭЛЕКтрОННО-ЛУЧЕВОГО ЛаЗЕра С ВОЛНОВЫМ периодом 1=2 см Поскольку начальная энергия электрона частично преобразуется магнитным полем В в энергию колебания, то уравнение (11.1) будет не совсем точным.
Это соображение требует и коррекции уравнения (11.4): )с'$.=)с(. (! 4 111) =(1/272) (1 4 )ст), (11. 5) где lс = еВЕ/2ятст. Спектр выходящего излучения зависит от числа ()т() периодов ондулятора, так как электрон посылает когерентный цуг волн с )т' периодами. Фурье-анализ дает для полуширины линии спонтанного излучения; ст)с1 /л.1. = 1/2)ч(. (11.6) Усиление света Электрон в ондуляторе должен теперь вступить во взаимодействие дополнительно еще со световой волной, бегущей в том же направлении. На рис.
! 1.4 показана орбита электрона в ондуляторе и падающая световая волна длиной )с. Положение по фазе между орбитой движения электрона и световой волной определяет, будет электрон ускоряться либо замедляться в своем движении. В случае а) на рис. 11.4 напряженность поля световой волны Е параллельна скорости электрона в поперечном направлении у„и возникает ускорение электрона. Это соответствует ситуации с поглощением излучения. В случае б) Е и и, встречно-параллельны, и электрон в результате своего замедления отдает кинетическую энергию полю излучения. Это можно интерпретировать как усиление света посредством вынужденного излучения.
а)Р-а >О л б)Р-Е ч<0 с- Орбита Положение по фазе между орбитой движения электрона и световой волной изменяется вдоль направления распространения, поэтому электроны и свет имеют с.,- Поле излучения а) ускорение электрона б)замедление — э поглощение света электрона †э усиление све Рис. 1Ь4. Взаимодействие световой волны с электроном в ондуляторе; (а) поглощение (Р > О) и (б) усиление света на основе вынужденного излучения (Р < О). (Š— напряженность поля световой волны,у — скорость электрона, Р†мощнос, переданная электрону) пра- р--р -, ф слегка различающиеся скорости. Если за время Ь/и световая волна проходит на одну длину волны больше длины пути электронов /., то все фазы встречаются одинаково часто, и никакого усиления не происходит.
Данный вариант действителен для: Ь/ч=(!.=М )/с или )ьЬ=(с/ч — 1) 1 = 1. (1 — ч/с). (11.7) Это как раз соответствует максимуму спонтанного излучения согласно уравнению (11.4). В случае же несколько более высоких частот имеет место усиление света, а в случае более низких — его поглощение, как показано на рис. 112Ь С конструкцией, подобной той, что представлена на рис. 11.1, усиление в инфракрасной области спектра достигает 7 %.
В результате обратной связи удается получить генерацию лазерного излучения с коэффициентом полезного действия 0,1 %. Большой диапазон перестройки позволяет использование таких систем в инфракрасной спектроскопии. Подходящее для этой цели устройство имеется, например, в Розендорфе под Дрезденом. Показатель усиления Спонтанное излучение Рис. 11эв Спектральное распределение спонтанного излучения и усиления света а лазере на свободных электронах л Коротковолновой лазер на свободных электронах (РЕЬ) с интенсивным излучением в рентгеновском диапазоне был испытан в 1999 году в Гамбургском научно-исследовательском центре !рЕКУ и в настоящее время продолжает успешно дорабатываться.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
