Лазеры на свободных электронах. РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

Лазеры на свободных электронах (ЛСЭ) - генераторы эл--магн. колебаний, в к-рых активной средой является поток электронов, колеблющихся под действием внеш. электрич. и (или) магн. поля и перемещающихся с релятивистской постулат. скоростью

в направлении распространения излучаемой волны. Благодаря Доплера эффекту частота излучения электронов в ЛСЭ во много раз превышает частоту колебаний электронов

Здесь s=l, 2, . . .- номер гармоники,

- малый угол между направлением поступат. движения частиц и направлением излучения волны:

, где

- фактор Лоренца, - полная скорость частицы. Достоинство

ЛСЭ - возможность плавной широкодиапазонной перестройки частоты

генерации изменением

или

Наиб. коротковолновыми являются разновидности ЛСЭ, в к-рых колебат. движение электронам (накачка) сообщается пространственно-периодическим статич. полем ондулятора А_н= A₀cos 2

z/d (убитрон; рис. 1, а; см. Ондуляторное излучение)либо полем мощной волны накачки А_н= А₀cos(

t-k_Hr) (т. н. комптоновский лазер, или скаттрон; рис. 1, б). Здесь А_н - вектор-потенциал поля накачки, d - период ондулятора,

- частота накачки, k_н - волновой вектор, r - радиус-вектор. Частота колебаний частиц в этих случаях

. Эти способы накачки близки по характеру воздействия на электроны, поскольку периодическое статич. поле воспринимается движущейся частицей как волна.

Рис. 1. Системы накачки колебательной энергии частиц в основных разновидностях ЛСЭ: а - в убитроне, б - в скаттроне, в - в мазере на циклотронном резонансе, г - в строфотроне, д и е - во флиматронах.

Др. типы ЛСЭ основаны на вынужденном тормозном излучении электронов: а) вращающихся в однородном магн. поле Н₀ с циклотронной частотой (мазер на циклотронном резонансе; рис. 1, в); б) колеблющихся в поперечно-неоднородном элсктростатич. поле U (х)(строфотрон; рис. 1, г). Кроме того, ЛСЭ могут быть основаны на черенковском излучении и переходном излучении частиц, движущихся равномерно и прямолинейно в пространственно-периодич. структурах (флиматроны; рис. 1, д, е). При этом колеблются не электроны исходного пучка, а их зеркальные изображения

в структурах (пунктир на рис. 1, д). Суммарный диапазон, охватываемый перечисленными разновидностями ЛСЭ, простирается от СВЧ- до УФ-диапазона.

При квантовом описании возможность преобладания в ЛСЭ вынужденного излучения над поглощением объясняется небольшим различием частот волн, к-рые электрон способен излучить (

) и поглотить (

). Это различие обусловлено отдачей, испытываемой электроном при излучении или поглощении кванта, а в ряде случаев также отклонением от эквидистантности спектра колебат. уровней электрона (напр., уровней электрона в однородном магн. поле, см. квантовые уровни ).Т. к. в реальных условиях уширение спектральных линий, обусловленное конечностью времени пребывания в пространстве взаимодействия с волной (естеств. ширина линии), существенно больше разности частот (

), то вынужденное излучение и поглощение раздельно не наблюдаются, а преобладание излучения над поглощением имеет место для волны, частота к-рой

ближе к

В ЛСЭ электрон излучает в элементарном акте квант, энергия к-рого во много раз меньше исходной энергии частицы:

. Это позволяет каждому электрону в процессе взаимодействия с волной излучить много квантов (

10³-10⁸). Поэтому движение и излучение частиц могут быть описаны ур-ниями клас-сич. электродинамики, а сами ЛСЭ являются по существу классич. приборами, родственными лампе бегущей волны, клистрону и др. электронным СВЧ-генераторам. Вынужденному излучению в ЛСЭ при классич. описании отвечает самосогласованный процесс, включающий в себя группирование электронов в сгустки под действием затравочной (сигнальной) волны

и последующее усиление этой волны в результате когерентного излучения образовавшихся электронных сгустков.

Рис. 2. Зависимость от частоты коэффициента усиления G волны в ЛСЭ-генераторе.

В ЛСЭ-генераторах с высокодобротными резонаторами коэф. усиления G волны за один проход волны через резонатор (в режиме малого сигнала) определяется выражением

c - параметр связи электронов с волной, пропорциональный осцилляторной скорости частиц;

-параметр, характеризующий темп группировки частиц;

-частота точного синхронизма,

-плазменная частота; п-невозмущённая плотность электронов в пучке (рис. 2). В безрезонаторпых ЛСЭ-усилителях

Эффективность преобразования энергии электронного пучка в излучение (электронны и кпд)

ограничивается выходом теряющих энергию частиц из резонанса с усиливаемой волной. При постоянной частоте осцилляции и фазовой скорости волны

где

- доплеровское преобразование частоты,

- число колебаний частиц в пространстве взаимодействия. Для ЛСЭ, основанных на ондуляторном, черенковском, переходном излучениях частиц, а также на рассеянии волны накачки, параметр группировки частиц относительно велик:

. Поэтому при большом доплеровском преобразовании частоты, когда

, кпд ЛСЭ сравнительно невысок

и пропорционален ширине полосы активного вещества (рис. 2). Высокий кпд

в таких разновидностях ЛСЭ достигается при переменной фазовой скорости синхронной волны в режиме захвата электронов пучка полем волны и последующего их адиабатич. торможения. Для ЛСЭ, основанных на индуцированном циклотронном излучении, вблизи резонансa, когда фазовая скорость волны

, параметр группировки частиц

сколь угодно мал в соответствии с (4), высокий кпд достижим при

= const в постоянном магн. поле.

На возможность получения коротких волн путём доплеровского преобразования частоты излучения предварительно сформированных из сгустков колеблющихся частиц впервые указали В. Л. Гинзбург и Г. Моц (Н. Motz) (кон. 40-х - нач. 50-х гг.). Однако предложение о получении таким способом вынужденного излучения было сформулировано позднее, уже после развития теории вынужденного излучения в системах классич. электронных осцилляторов и реализации основанных на этом принципе слаборелятивистских электронных мазеров. Впервые ЛСЭ в ИК-диапазоне реализованы в США Дж. Мейди (J. Madey) с сотрудниками на базе Станфордского линейного ускорителя электронов в 1976-77.

Литература по лазерам на свободных электронах

Знаете ли Вы, что такое мысленный эксперимент, gedanken experiment?
Это несуществующая практика, потусторонний опыт, воображение того, чего нет на самом деле. Мысленные эксперименты подобны снам наяву. Они рождают чудовищ. В отличие от физического эксперимента, который является опытной проверкой гипотез, "мысленный эксперимент" фокуснически подменяет экспериментальную проверку желаемыми, не проверенными на практике выводами, манипулируя логикообразными построениями, реально нарушающими саму логику путем использования недоказанных посылок в качестве доказанных, то есть путем подмены. Таким образом, основной задачей заявителей "мысленных экспериментов" является обман слушателя или читателя путем замены настоящего физического эксперимента его "куклой" - фиктивными рассуждениями под честное слово без самой физической проверки.
Заполнение физики воображаемыми, "мысленными экспериментами" привело к возникновению абсурдной сюрреалистической, спутанно-запутанной картины мира. Настоящий исследователь должен отличать такие "фантики" от настоящих ценностей.

Релятивисты и позитивисты утверждают, что "мысленный эксперимент" весьма полезный интрумент для проверки теорий (также возникающих в нашем уме) на непротиворечивость. В этом они обманывают людей, так как любая проверка может осуществляться только независимым от объекта проверки источником. Сам заявитель гипотезы не может быть проверкой своего же заявления, так как причина самого этого заявления есть отсутствие видимых для заявителя противоречий в заявлении.

Это мы видим на примере СТО и ОТО, превратившихся в своеобразный вид религии, управляющей наукой и общественным мнением. Никакое количество фактов, противоречащих им, не может преодолеть формулу Эйнштейна: "Если факт не соответствует теории - измените факт" (В другом варианте " - Факт не соответствует теории? - Тем хуже для факта").

Максимально, на что может претендовать "мысленный эксперимент" - это только на внутреннюю непротиворечивость гипотезы в рамках собственной, часто отнюдь не истинной логики заявителя. Соответсвие практике это не проверяет. Настоящая проверка может состояться только в действительном физическом эксперименте.

Эксперимент на то и эксперимент, что он есть не изощрение мысли, а проверка мысли. Непротиворечивая внутри себя мысль не может сама себя проверить. Это доказано Куртом Гёделем.

Понятие "мысленный эксперимент" придумано специально спекулянтами - релятивистами для шулерской подмены реальной проверки мысли на практике (эксперимента) своим "честным словом". Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.