Режимы работы и классификация

ЛСЭ будут работать в несколько совершенно особых режимах, в которых справедливы различные физические принципы, а для характеристики важных параметров используется весьма широкая терминология. Здесь мы кратко рассмотрим режимы работы и соответствующую классификацию.

Если ток электронного пучка мал и энергия пучка высока (например, 20 МэВ), а длина волны излучения лежит в коротковолновом (ИК) диапазоне, то мы имеем режим ЛСЭ, который называют по-разному: комптоновский, двухволновый, интерференционный или режим одночастичного взаимодействия. В этом случае существует очень близкая аналогия между ЛСЭ и линейным ускорителем: увеличение (уменьшение) энергии частиц соответствует затуханию (усилению) энергии электромагнитного поля. Оптимальное усиление ЛСЭ зависит от того, насколько правильно мы выберем энергию пучка и длину ондулятора; по этому такой режим называют еще и режимом конечной длины ондулятора. К ЛСЭ в общем случае неприменимо положение лазерной физики, согласно которому чем больше объем среды, тем больше усиление и выходная мощность. Кроме того, ни о каком усилении не может быть и речи, когда в ЛСЭ оптический пучок отражается от зеркала и движется навстречу потоку электронов.

Лазеры на свободных электронах, в которых имеет место экспоненциальное нарастание волн и которые напоминают традиционные лазеры с накачкой, работают в длинноволновом режиме (l >100 мкм) при низкой энергии (обычно менее 5 МэВ) и при высоких плотностях тока пучка (j>1000 А/см 2); эти ЛСЭ представляют собой компактные устройства с высоким коэффициентом усиления. Если пучок холодный (т. е. разброс электронов по импульсам невелик), а амплитуда поля накачки ондулятора мала, то мы имеем ЛСЭ на комбинационном рассеянии. При увеличении поля накачки ондулятора коэффициент усиления возрастает, и мы приходим к режиму большой амплитуды накачки с оптимальными значениями усиления и эффективности (его еще иногда называют режимом осциллирующей двухпотоковой неустойчивости). Однако если пучок имеет большой разброс по импульсам, усиление и мощность уменьшаются, но сигнал все еще экспоненциально нарастает вдоль ондулятора, то такой режим называют комптоновским с разбросом по импульсам. Усиление уменьшается потому, что ЛСЭ на комбинационном рассеянии — это трехволновое параметрическое устройство (волна накачки, сигнал и холостая волна), в котором в качестве холостой волны может выступать либо плазма, либо волна пространственного заряда. В случае электронов с разбросом по импульсам, когда холостая волна затухает вследствие бесстолкновительного эффекта (за счет затухания Ландау), мы снова возвращаемся к режиму малого усиления. (Все ЛСЭ требуют, чтобы электронный пучок был достаточно холодным.).

Между одночастичными ЛСЭ и ЛСЭ, в которых существенную роль играют коллективные эффекты, приводящие к экспоненциальному нарастанию усиления, можно провести довольно простую границу. ЛСЭ действуют в коллективном (многочастичном) режиме, когда система имеет достаточно большую длину, а пучок — достаточно высокую плотность, так что вдоль системы укладывается несколько плазменных длин волн. Это накладывает верхний предел на энергию пучка и нижний предел на длину волны. Другим весьма важным эффектом является взаимодействие между силой, которая группирует электроны пучка (будем называть ее пондеромоторной силой), и расталкивающими силами пространственного заряда. Пондеромоторная сила определяется амплитудами ондуляторного поля и сигнала, в то время как силы пространственного заряда — плотностью тока и энергией пучка. Из-за этой конкуренции сил усиление ЛСЭ в некоторых случаях возрастает, а в некоторых уменьшается.

Как и традиционные лазеры на атомных переходах, ЛСЭ могут работать и как усилители когерентного излучения, и как генераторы (при использовании резонатора с зеркалами), или как усилители локального шума. Последний случай в соответствии с оптической терминологией мы называем ЛСЭ на сверхизлучении. Такой ЛСЭ при очень большом усилении может давать мощное частично когерентное излучение.