Создание объемных лазеров на свободных электронах
Открытие сотрудниками НИИ ЯП нового закона неустойчивости релятивистских пучков электронов в пространственно-периодических средах и обоснование принципиальной возможности создания нового класса генераторов электромагнитного излучения - объемных лазеров на свободных электронах (ОЛСЭ) привело к созданию нового направления ядерной физики, имеющего большое народнохозяйственное значение. В 2001 году впервые в мире была создана экспериментальная установка ОЛСЭ.
Изображение 2001 и 2003 года
На основе ОЛСЭ могут быть разработаны генераторы электромагнитного излучения в микроволновом диапазоне, необходимые в частности, для создания нового поколения ускорителей элементарных частиц и гамма-гамма коллайдеров, нового поколения сверхдальних локаторов, систем передачи электромагнитной энергии на большие расстояния, систем нагрева термоядерной плазмы, высокостабильных передатчиков для систем связи в СВЧ диапазоне, нового поколения томографов (для применения в медицине).
Генерация в ЛСЭ возбуждается различными механизмами спонтанного излучения: магнито-тормозным излучением в ондуляторе, излучением Смит–Парсела и Черенкова, излучением в лазерной волне. Но независимо от того, какой именно вид спонтанного излучения применяется в конкретном ЛСЭ, все приборы этого типа используют обратную связь, создаваемую или двумя параллельными зеркалами, расположенными на краях рабочей области, или одномерной дифракционной решеткой, в которой испускаемая и дифрагированная (отраженная) волны распространяются вдоль электронного пучка (одномерная распределенная обратная связь).
Преимущества объемного ЛСЭ :
1. Объемный ЛСЭ позволяет перестраивать частоту излучения поворотом решетки;
2. Более эффективное взаимодействие электромагнитной волны с электронным пучком, благодаря новому закону неустойчивости, позволяет резко снизить плотности тока электронных пучков, необходимые для достижения порога генерации и уменьшить размеры зоны генерации;
3. Благодаря возможности использования широких электронных пучков и дифракционных решеток больших объемов, ОЛСЭ позволяет получать на многие порядки большие мощности излучения благодаря отсутствию электрических пробоев.
4. ОЛСЭ позволяет генерировать излучение одновременно на нескольких частотах.
Отличительной особенностью ОЛСЭ является использование в качестве объемных резонаторов одно-, двух- и трехмерных дифракционных решеток, обеспечивающих объемную распределенную обратную связь и, как следствие, возможность плавной перестройки частоты в широком диапазоне частот, получения высокой мощности излучения и генерации излучения одновременно на нескольких частотах.
Двух- или трехмерные дифракционные решетки позволяют распределить взаимодействие по большому объему и снизить ограничения на мощность в резонаторе.
Сеточные резонаторы ( V.G.Baryshevsky et al. Proc. IRMMW-THz 2010; Proc FEL2010 ):
Фольговые резонаторы ( V.G.Baryshevsky et al. Proc. IRMMW-THz 2010; Proc FEL2010 ):
Результаты первых экспериментов по генерации ОЛСЭ были представлены на конференции FEL2001:
Научный руководитель — проф.В.Г.Барышевский
V.G.Baryshevsky, I.D.Feranchuk, Phys.Lett. 102A (1984) 141-144
V.G.Baryshevsky, Doklady Akademii Nauk USSR 299 (1988) 19
V.G.Baryshevsky, K.G.Batrakov, I.Ya. Dubovskaya, Journ.Phys D24 (1991) 1250-1257
V.G.Baryshevsky, NIM 445A (2000) 281-283
Belarus Patent no. 20010235 (09.10.2001)
Russian Patent no. 2001126186/20 (04.10.2001)
Eurasian Patent no. 004665 (25.09.2001)
V.G.Baryshevsky et al., NIM A 483 (2002) 21-23
V.G.Baryshevsky et al., NIM A 507 (2003) 137-140
V.G.Baryshevsky et al., LANL e-print archive: physics/0409107, physics/0409125
V.G. Baryshevsky et al. NIM B 252 (2006), 86-91
V.G.Baryshevsky arXiv:1101.0783v1 [physics.acc-ph] 4 Jan 2011
V.G.Baryshevsky, A.A.Gurinovich Electrodynamical properties of a volume free electron laser with a "grid" resonator Proc. FEL 2006, Berlin, Germany, 335-338
V.G.Baryshevsky et al. Experimental study of volume free electron laser using a "grid" photonic crystal with variable period Proc. FEL 2007, Novosibirsk, Russia. 496-498
V.G.Baryshevsky et al. Experimental study of volume FELS with a photonic crystal made of foils Proc. FEL2010, Malmo, Sweden, 632-635