Лазеры на свободных электронах - усилители электромагнитного излучения оптического и рентгеновского диапазонов

• Автор: Юрков, Михаил Владимирович
• Шифр специальности: 01.04.20
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2002
• Место защиты: Дубна
• Количество страниц: 279 с. : ил

Оглавление
Введение

I. Стационарная теория ЛСЭ-усилителя

о 1. Самосогласованные уравнения линейной теории

§1.1. Эффективный гамильтониан

§1.2. Самосогласованные уравнения

§2. Решение задачи на собственные значения

§2.1. Ступенчатый профиль плотности тока

§2.2. Градиентный профиль плотности тока

§2.2.1. Ограниченный параболический профиль

§2.2.2. Метод многослойной аппроксимации

§3. Решение начальной задачи
§3.1. Рабочие уравнения
§3.2. Условия оптимальной фокусировки излучения
§4. Моделирование нелинейного режима
§4.1. Самосогласованные уравнения
§4.2. Результаты численного моделирования
§5. Область применимости
§6. Физический смысл нормализованных переменных
§7. Ограничение на минимальную длину волны
§7.1. Влияние энергетического разброса и эмиттанса
§7.2. Влияние квантовых флуктуаций синхротронного излучения

II. Старт ЛСЭ-усилителя из дробового шума
fl. Дробовой шум в электронном пучке
§1.1. Спектральные корреляции первого порядка
§1.2. Спектральные корреляция второго порядка
§2. Одномерная теория ЛСЭ-усилителя шума
§2.1. Аналитическое описание линейного режима
§2.1.1. Спектральные характеристики излучения
§2.1.2. Временные характеристики излучения
§2.1.3. Произвольный коэффициент усиления
§2.2. Алгоритм численного моделирования FS1T (одномерная модель ЛСЭ-усилителя шума)
§2.3. Численное моделирование основных характеристик .
§2.3.1. Временные характеристики
§2.3.2. Спектральные характеристики
§2.4. Эффекты коротких импульсов
§3. Дифракционные эффекты
§3.1. Алгоритм моделирования FAST (трехмерная модель
ЛСЭ-усилителя шума)
§3.2. Общие свойства линейного режима усиления
§3.3. Формирование поперечной когерентности
§3.4. Нелинейный режим работы ЛСЭ-усилителя шума
III. Экспериментальные исследования ЛСЭ-усилителя шума
§1. Лазер на свободных электронах инфракрасного диапазона в
Калифорнийском университете
§1.1. Область физических параметров
§1.2. Численный анализ эксперимента
§2. Лазер на свободных электронах ВУФ диапазона на тестовом
ускорителе TESLA
§2.1. Описание установки
§2.2. Анализ экспериментальных результатов
§2.3. Флуктуации энергии в импульсе излучения
§2.4. Флуктуации энергии излучения на выходе узкополосного монохроматора
Заключение
Литература

Рассмотрим основной принцип работы ЛСЭ. В случае спирального ондулятора магнитное поле на оси имеет вид:
= схЯ№ со8(27гг/А„) — еуЯ№ 8Іп(27гд/А№) , (1.1)
где А„- - период ондулятора. В поле спирального ондулятора электроны движутся по спиральным траекториям вдоль оси ондулятора. Угол вращения электрона в ондуляторе равен в8 = К/7, где К = кеНк/2птс2 -параметр ондуляторности, у = £/тс2, (-е) и т - заряд и масса электрона. Как правило, угол вращения мал. в2 -С 1, и продольная скорость электрона г-, близка к скорости света с (другими словами, продольный релятивистский фактор уг = (1 - Д/с2)-1/2 велик, у“2 = у-2 + в2 = (1 + А'2)/у2 -С 1).
В лазере на свободных электронах электромагнитная волна распространяется параллельно электронному пучку. Так как поле волны имеет только поперечную компоненту электрического поля, обмен энергией между электромагнитной волной и электроном определяется поперечной компонентой скорости электрона гуд сІ£/йі = —е(гу_ о Е).
Так как продольная скорость электрона гу меньше скорости света, с, то волна проскальзывает относительно частицы со скоростью (с — ?у). ЛСЭ является прибором, основанным на длительном взаимодействии электромагнитной волны с пучком. Это означает, что на длине ондулятора волна проскальзывает относительно пучка на много длин волн излучения, и вектор электрического поля Е совершает много оборотов вокруг оси ондулятора, Вектор поперечной скорости электрона также вращается относительно оси ондулятора. Для обеспечения ненулевого энергообмена между частицей и волной, скалярное произведение (г>х°Е) должно поддерживаться постоянным на всей длине ондулятора. Иными словами, должно обеспечиваться условие синхронизма. Такой синхронизм имеет место, когда волна проскальзывает относительно пучка на одну длину волны излучения на периоде ондулятора: