Наиболее важным физическим компонентом ЛСЭ является ускоритель. Энергия электронного пучка, создаваемого ускорителем, будет лежать в области релятивистских энергий электронов (mс 2 = 510 кэВ) и может быть выше 1000 МэВ. Ток ускорителя, как правило, является импульсным с длительностью импульса от нескольких микросекунд до нескольких пикосекунд. Ускорители могут работать в режиме либо одиночных импульсов, либо повторяющихся импульсов с частотой повторения до 1000 Гц. Электроны ускоряются диодной структурой или электронной пушкой, которые включают в себя "горячий" или "холодный" катод, фокусирующие элементы и ведущее магнитное поле. В дальнейшем, если не будет специально оговорено, будем считать, что ускорение осуществляется диодной структурой.
Другим параметром, характеризующим электронный пучок, является его собственный разброс по продольным импульсам ["холодный" пучок имеет на выходе только одно значение поперечного (или продольного) импульса при данной энергии]. В идеальном случае энергия всех электронов, вылетающих из ускорителя, должна быть одной и той же, но из-за конструктивных особенностей ускорителя и системы транспортировки у электронов имеется разброс по импульсам в поперечном и продольном направлениях. Он описывается параметром, называемым эмиттансом пучка, который характеризует яркость потока. Для ЛСЭ нужны яркие электронные потоки с малым разбросом по продольным импульсам. Это и не удивительно, если вспомнить, что в обычных лазерах излучение на выходе тоже является "ярким" (т. е. в дополнение к высокому уровню выходной мощности оптический пучок имеет очень малую расходимость и, следовательно, может быть сфокусирован до дифракционно-ограниченного пятна).
Кроме того, нам необходимо устройство, которое обеспечивало бы связь прямолинейного неизлучающего движения электронов с электромагнитной волной. Поскольку электромагнитное поле оптического пучка, распространяющегося параллельно оси движения электронов, является поперечным, для обмена энергией с электромагнитным полем электрону необходимо сообщить поперечную компоненту движения. Тогда электрон будет совершать работу над полем, записываемую математически в виде j*Е. Это осуществляется искривлением траектории электрона в периодическом поперечном магнитостатическом поле, создаваемом ондулятором. В этом случае мы имеем дело с магнитотормозным излучением. Имеется много способов, позволяющих вычислять с достаточной степенью точности траектории движения электронов в ондуляторе. Существует также много других устройств, которые могут выступать в роли ондуляторов: системы с периодическими электростатическими элементами, с электромагнитными волнами высокой интенсивности и, возможно, система с электростатической волной, которая может возбудиться при инжекции электронного пучка в специально приготовленную плазму или кристалл. Многие из этих ондуляторов менее удобны для реализации, чем магнитостатический ондулятор. Большинство же разработанных в настоящее время ондуляторов представляют собой либо спиральные токовые обмотки, либо линейную цепочку из постоянных дипольных магнитов.
Типичный период ондулятора равен примерно 3 см, а типичное значение индукции магнитного поля порядка 1 кГс. Такое поле может создаваться импульсными или постоянным током (последнее возможно в сверхпроводнике) или ондулятор можно составить из постоянных магнитов как из "строительных блоков" (таких, как самарий-кобальтовые магниты). Простейшие конструкции ондуляторов имеют обычно фиксированные значения периода и амплитуды поля, за исключением коротких участков на входе и выходе, где поле адиабатически увеличивается, чтобы обеспечивать плавный переход электронов в новую область взаимодействия. Однако можно сконструировать такой ондулятор, который при определенных условиях позволяет улучшить характеристики ЛСЭ; это привело к созданию неоднородных ондуляторов, у которых период, амплитуда или форма поля вдоль структуры изменяются адиабатически. Успешная разработка ЛСЭ с неоднородными ондуляторами значительно расширила возможности их применения и привела к новым достижениям в развитии теории лазеров на свободных электронах.
Наличие в ЛСЭ ондулятора позволяет использовать его не только для замедления электронов, но и для их ускорения. Это возможно также, например, в линейном ускорителе, в котором ускорение или замедление осуществляется продольной компонентой ВЧ электрического поля в последовательности резонаторов или в нагруженной передающей линии. Однако в линейном ускорителе взаимодействие всегда происходит на частоте ВЧ источника, в то время как в ЛСЭ оно имеет место на удвоенной частоте доплеровского сдвига. Таким образом, ондулятор — это устройство связи оптической волны и релятивистского потока электронов.
Другим важным элементом ЛСЭ являются зеркала резонаторов. Имеется некоторая тенденция считать, что вопрос о зеркалах уже решен в традиционной лазерной оптике, но это далеко не так. Совершенствование качества зеркал необходимо во всех областях лазерной физики, и это особенно важно для ЛСЭ, в частности благодаря следующим требованиям. Во-первых, это требование к коэффициенту отражения зеркал, которое является решающим для ЛСЭ с малым усилением, особенно в видимом и УФ диапазонах. Необходимо, чтобы зеркала имели устойчивое широкополосное покрытие. Получение оптимального коэффициента отражения зеркал представляет собой засекреченную область исследований, но достижение R~0,9995 в видимом диапазоне возможно благодаря использованию многослойных (например, порядка 20) интерференционных пленок, а величину R>50% можно теперь получать для длин волн порядка 100*10-10 м. Разлагая коэффициент отражения в ряд Тейлора можно получить его зависимость по радиусу. Такая зависимость может оказаться полезной при контроле неустойчивости боковых полос, которая, как полагают, может вызвать осложнения при работе ЛСЭ в режиме большого уровня мощности. Во-вторых, в случае работы ЛСЭ на накопителе, энергия электронов которого составляет 100 – 200 МэВ, мощное УФ синхротронное излучение будет очень быстро приводить к разрушению покрытия зеркал с высоким коэффициентом отражения. По этому разработка устойчивых к УФ излучению зеркальных покрытий с высоким коэффициентом отражения представляет собой необходимое условие успешной разработки ЛСЭ, использующих энергию накопительного кольца. В-третьих, в ЛСЭ с большим уровнем мощности в коротковолновом диапазоне диссипация энергии на зеркале может привести к разрушению его поверхности. Например, выходную мощность ЛСЭ, равную 10 МВт, при 1%-ном коэффициенте пропускания зеркала не следует рассматривать как очень высокую, хотя в резонаторе она будет около 1 ГВт. Небольшая доля этой мощности должна рассеиваться подложкой зеркала без прогрессирующего поверхностного разрушения. Хотя в резонаторе импульсная мощность 1 ГВт не вызывает каких-то осложнений при существующей технологии, некоторые ускорители создают электронные пучки очень высокой мощности, а это неизбежно приведет к соответствующим трудностям при реализации потенциальных возможностей ЛСЭ. Наконец, успешное развитие длинноволновых ЛСЭ связано с применением обратной связи типа распределенных отражающих элементов ("распределенная обратная связь"), разработка которых находится еще в стадии исследований.
Характер взаимодействия электронного пучка с электромагнитными модами оптического резонатора можно описать методами квантовой электроники. Между зеркалами резонатора благодаря многократному отражению оптического пучка устанавливаются поперечные и продольные моды; такой процесс впервые описали Фокс и Ли. В этом резонаторе Фабри – Перо полные потери складываются из дифракционных потерь на краях зеркал, потерь за счет диссипации излучения на поверхности зеркал и потерь, обусловленных наличием связи (через отверстие, неустойчивый резонатор или через частично пропускающее зеркальное покрытие). Электронный пучок будет осциллировать только на тех модах, взаимодействие с которыми является сильным, т. е. обеспечена связь электронного пучка с оптической структурой) и потери, для которых малы. Поскольку линия излучения ЛСЭ шире, чем у традиционного лазера, в резонаторе, если в него не внесены фильтры, могут возбуждаться многие резонаторные моды. В некоторых типах ЛСЭ в данный момент времени в резонаторе может присутствовать один электронный сгусток диаметром около 1 мм и длиной лишь несколько миллиметров. В этом случае оптическая волна будет опережать медленно распространяющийся электронный импульс и возникает эффект, названный лазерной летаргией. На выходе мы будем иметь последовательность очень коротких импульсов, возникающих за счет синхронизации мод.
