Экспериментальные исследования ЛСЭ на однородных ондуляторах

Самые первые эксперименты по ЛСЭ были проведены в Станфорде на SCA. В табл. 1 представлены типичные экспериментальные параметры.

Таблица 1. Параметры ЛСЭ-генератора Станфордского университета

 

Электронный пучок
Энергия пучка	43 МэВ
g
Пиковый ток	1,3 А
Протяженность импульса	1 мм
Расстояние между импульсами	25,4 мм
Радиус пучка	0,25 мм
Ондулятор
Период	3,3 см
Амплитуда спирального поля	2,3 кГс
Длина	5,3 м
Резонатор
Расстояние между зеркалами	12,7 м
Потери в резонаторе за проход туда и обратно	2,8 %
Потери на связь в резонаторе	1,5 %
Длина волны	3,3 мкм
Размер пятна	0,167 см
Рэлеевская длина волны	2,7 м
Коэффициент заполнения	0,017
Коэффициент потерь на спонтанное излучение	0,05
Радиус зеркал	7,5 м

 

Ондулятор изготовлен из сверхпроводящей бифилярной спиральной обмотки; для отклонения электронного пучка от зеркал (рис. 4) использовалось продольное магнитное поле 1 кГс. В статье Элиаса и др. сообщалось о том, что зарегистрировано спонтанное излучение из ондулятора на длине волны 10,6 мкм при энергии W» 24 МэВ и усиление около 7 % сиг­нала от TEA С0 2 -лазера с плотностью мощности 140 кВт/см², причем была получена всем теперь знакомая асимметричная кривая усиления. Этот эксперимент был повторен на накопителе АСО (Орсе, Франция) при энергии 150 МэВ. На рис. 5 показано очень точное соответствие между коэффициентом усиления ЛСЭ и производной спектра спонтанного излучения (аргоновый лазер, 4880 ). После увеличения импульсного тока SCA от 70 мА до 2,6 А стало возможным продемонстрировать генерацию лазера на длине волны 3,4 мкм, когда энергия электронов была 43,5 МэВ. Превышение импульсной мощности над уровнем мощности спонтанного излучения было порядка 10⁸. При коэффициенте пропускания зеркал 1,5% в резонаторе зарегистрирована мощность ~500 кВт

 

 

Рис. 4. Схема Станфордского лазера на свободных электронах в режиме генератора. Около зеркал, кроме поля ондулятора, использовалось ведущее поле для ввода и вывода электронного пучка. © 1977 APS

 

 

Рис. 5. Сравнение кривых усиления ЛСЭ (аргоновый лазер, 4880 А), измеренного в двух отдельных экспериментах (сплошные линии), наложенных на производную спектра спонтанного излучения (пунктирная кривая). Максимальное усиление равно 3 · 10^-4; использовался сверхпроводящий ондулятор с периодом l 0 = 4 см. © 1982 North-Holland.

На рис. 6 для сравнения приведен спектр мощности ниже () и выше порога генерации, из которого видно, что оптический резонатор значительно сужает ширину линии. Все эксперименты были выполнены для двухволнового режима ЛСЭ, поскольку w p T~0,1.

Особенно большую ценность имеют дополнительные экспериментальные результаты, полученные Станфордской группой, поскольку они обеспечивают базу для разработки надежной теории. Один из результатов (рис. 7) связан с временем “включения” генератора. Это время оказалось не только удивительно большим (~30 мкс, несколько сотен проходов оптического пучка), но и было обнаружено, что время включения и мощность выходного излучения очень чувствительны к расстоянию между зеркалами резонатора (рис. 8). Изучение времени нарастания мощности излучения в начале импульса генератора позволило оценить коэффициент усиления малого сигнала за проход, который оказался равным 6 – 10%.

 

 

Рис. 6. Сужение спектральной линии излучения ЛСЭ выше и ниже порога генерации. © 1977 APS

 

 

Рис. 7. Форма импульса излучения ЛСЭ, показывающая задержку времени включения генератора и времени нарастания; время на оси абсцисс отсчитывается от момента выстрела электронного пучка. © 1982 Addison-Wesley

 

 

Рис. 8. Зависимость средней выходной мощности ЛСЭ от расстройки длины резонатора. © 1982 Addison-Wesley

 

 

Рис. 9. Влияние излучения ЛСЭ на энергетический спектр электронов. © 1977 Addison-Wesley

Были проведены измерения временных характеристик электронного и оптического спектров. Ширина распределения электронов по импульсам возрастает примерно на 1% при включении лазера (в качестве примера на рис. 9 приведен один из предыдущих результатов, из которого видно, что центр тяжести кривой смещен примерно на 0,1% относительно начальной энергии электрона). Мы видим, что спектр является асимметричным. После первоначального запуска лазера среднее значение оптической длины волны, по существу, сохраняется постоянным, но все еще некоторые особенности оптического импульса нуждаются в экспериментальной проверке. Недавно были проведены эксперименты, в которых ширина оптического импульса измерялась с помощью автокорреляционной схемы и генерации второй гармоники в кристалле LiNbO₃. Когда длина резонатора была точно синхронизирована с протяженностью сгустка, наблюдался импульс ЛСЭ длительностью 1,5 пс при импульсной мощности около 400 кВт. При изменении длины резонатора было зарегистрировано увеличение ширины оптического импульса и уменьшение ширины спектральной линии излучения.

В связи с исследованиями, проводимыми в Станфорде на SCA, необходимо упомянуть об успешных экспериментах Лаборатории передовой технологии и инженерных наук фирмы “TRW” с ЛСЭ-генератором, в котором используется многокомпонентный ондулятор. Этот эксперимент отличает наличие очень хорошей диагностической и контрольно-измерительной аппаратуры. На однородном и неоднородном вариантах ондулятора была получена средняя мощность излучения 10 Вт на длине волны 1,6 мкм. Кроме того, во время генерации было обнаружено интенсивное излучение третьей гармоники на длине волны около 0,5 мкм. Как и можно было предполагать, это коротковолновое излучение оказалось чрезвычайно чувствительным к регулировке длины резонатора.

 

Применения ЛСЭ

Краткий анализ спектра (рис. 10) показывает, что ЛСЭ должны быть наиболее перспективными для той спектральной области, для которой разработано очень немного источников когерентного излучения, например для субмиллиметрового и УФ диапазонов.

Пока еще рано сравнивать ЛСЭ с более высокоразвитыми ЛЭС лазерными системами, поскольку для них еще мало что сделано, в области специальных источников питания и ускорительных установок. Однако ясно, что в субмиллиметровой области спектры, ЛСЭ займут не больше места, чем обычные субмиллиметровые молекулярные лазеры. Даже в ближнем ИК диапазоне и видимой области спектра ЛСЭ могут конкурировать с традиционными лазерами только в тех случаях, когда важную роль играют перестройка частоты, выходная мощность или КПД.

 

 

Рис. 10. Когерентные источники большой мощности; двойными кружками указаны ЛСЭ

В области спектра, представляющей интерес для химиков (200 – 4000 см^-1), наличие перестраиваемого по частоте источника позволило бы качественно повысить эффективность применения колебательной спектроскопии поглощения молекул. Длительность импульса ЛСЭ может быть меньше времени релаксации молекул; следовательно, можно с высокой точностью контролировать химические процессы с участием выделенных связей. Применение высокоэффективного ЛСЭ позволит нам не только лучше понять химические цепные реакции с лазерным возбуждением, когда фотодиссоциация одной молекулы будет приводить к образованию большого числа других, но и приблизит их к реализации в промышленных масштабах. В дальнем ИК-диапазоне (~100 мкм), где энергия фотонов равна примерно kt, ЛСЭ можно было бы использовать для исследования низкоэнергетических состояний Ван-дер-Ваальса. Возможность широкой перестройки частоты и высокая эффективность делают ЛСЭ весьма привлекательными для лазерного разделения и обогащения изотопов.

Другим весьма полезным свойством некоторых ЛСЭ является возможность работы в режиме коротких импульсов (в случае применения для этих целей микротрона, линейного ускорителя или накопительного кольца). Короткие импульсы (рис. 11) длительностью несколько пикосекунд весьма эффективны для исследования различных видов возбуждений (рис. 12).

 

 

Рис. 11. Схематическое изображение мощного импульса ЛСЭ на линейном ускорителе. Пики — микроимпульсы, которые в совокупности образуют макроимпульс длительностью несколько микросекунд с частотой повторения несколько герц

 

 

Рис. 12. Применения ЛСЭ в физике твердого тела. (Согласно Шоу и Пателу)

До появления ЛСЭ источники излучения в дальнем ИК диапазоне и в субмиллиметровой области спектра имели низкий уровень мощности и не перекрывали весь диапазон, а приемники были весьма дорогими или имели невысокую чувствительность. Однако с помощью ЛСЭ в дальнем ИК диапазоне можно получить множество важных результатов в области физики твердого тела (рис. 13).

 

 

Рис. 13. Применение ЛСЭ в физике твердого тела. (Согласно Шоу и Пателу)

Такие работы были поставлены в фирме “Белл лэборэтриз”. Главные возможности импульсного ЛСЭ дальнего ИК-диапазона должны проявиться в нелинейной спектроскопии и при изучении переходных процессов. Нелинейная спектроскопия включает в себя изучение явлений вынужденного испускания, неупругого рассеяния от возбужденных электронов, влияния оптической накачки и т. д. К переходным процессам относятся механизмы преобразования энергии в молекулах, твердых телах и жидкостях, а также релаксация горячего электронно-дырочного газа в полупроводниках. Короткие импульсы дальнего ИК излучения можно использовать при исследованиях локальной электрической проводимости, в то время как импульсы ЛСЭ в видимом диапазоне — для рождения свободных носителей. Кроме того, с помощью ЛСЭ можно будет исследовать времена рассеяния квазичастиц в сверхпроводниках, изучать процессы распространения и взаимодействия фононов, а также характер возбуждения и релаксации двумерного электронного газа в МОП-транзисторах.

Несомненно, одна из наиболее актуальных и важных проблем в физике полупроводников, которая может быть изучена с помощью субмиллиметровых ЛСЭ, — это проблема горячих электронов. Развитие миниатюризации полупроводниковых элементов приводит к появлению нетепловых распределений электронов, поскольку в сильных электрических полях ширина запрещенной зоны оказывается порядка 1В. Вопрос о влиянии горячих электронов изучен недостаточно полно; поэтому ЛСЭ как источник субмиллиметрового излучения должен оказаться полезным как для создания этих носителей, так и для исследования их поведения в переходном режиме.

Разработка ЛСЭ на длине волны l ~0,5 мм с высоким уровнем средней мощности позволит применить его для нагрева плазмы, удерживаемой сильным магнитным полем, с помощью электронно-циклотронного резонанса или в исследованиях по термоядерному синтезу для нагрева и диагностики высокотемпературной плазмы (большое значение b = 8 p nT/B 2). В лазерном термоядерном синтезе для обеспечения энергии на мишени около 1МДж необходимо иметь источник излучения высокой мощности с длиной волны около 1/3 мкм, работающий в режиме коротких импульсов с общим КПД, равным нескольким процентам. Таким образом; можно надеяться, что в будущем ЛСЭ внесут свой вклад и в эту программу исследований.

Дистанционное зондирование верхних слоев атмосферы (на высотах 100 – 500 км) методами резонансной флуоресценции и создание лазера для спектроскопии молекул представляют собой другую область применения ЛСЭ с целью диагностики. ЛСЭ позволит разработать радарные системы высокого разрешения.

До сих пор не существует ЛСЭ, генерирующих излучение в УФ области; перестраиваемые интенсивные источники УФ излучения могут найти многочисленные применения, в частности в физике твердого тела, но до тех пор, пока не удастся преодолеть технических трудностей, нам придется довольствоваться спонтанным излучением электронов, получаемым из ондуляторов в высокоэнергетических накопителях, которые пригодны и для получения синхротронного излучения. Можно надеяться, что проводимое в настоящее время совершенствование технологии изготовления зеркал и разработка специальных ускорителей позволят получить действующий ЛСЭ в УФ диапазоне до 1990 г. Разработка ЛСЭ рентгеновского диапазона имела бы неоценимое значение для таких целей, как изготовление оптических устройств высокого разрешения методами рентгеновской интерферометрии и голографии.

Найдут ЛСЭ применение и в лазерной хирургии и в фоторадиационной медицине. Небольшой размер пятна и возможность перестройки частоты означают, что в хирургии можно получить оптимальный эффект для конкретной облучаемой ткани в зависимости от длины волны при воздействии излучения ЛСЭ. В фоторадиационной медицине введенные предварительно в ткани красители активируются на определенных длинах волн. При активации красители выделяют свободный кислород и убивают клетку без хирургического вмешательства. Красители могут присоединяться к антителам, которые под действием лазерного света высвобождаются в определенных местах. Использование перестраиваемых лазеров позволит применять для этих целей различные типы красителей. Маломощные ЛСЭ можно устанавливать непосредственно в больницах.

Ускорители, используемые в физике высоких энергий, чрезвычайно громоздки, и в настоящее время ведутся исследования, направленные на получение более высоких ускоряющих полей, которые позволят сократить размеры ускорителей и увеличить энергию частиц. Известно, что сфокусированные высокоинтенсивные лазерные поля могут создавать поперечные электрические поля напряженностью порядка 10⁹ В/см; это можно было бы использовать в ускорителе на ЛСЭ, чтобы ускорить поток позитронов или электронов, пролетающих в ондуляторе. Увеличение энергии частиц может быть достигнуто за счет последовательного изменения периода ондуляторного поля. Изменение начального периода ондулятора от 10 см до нескольких метров позволит на длине в несколько километров получить энергию электронов более 100 ГэВ. Трудность здесь состоит в том, чтобы поддержать интенсивный лазерный пучок сфокусированным на таком большом расстоянии; Пеллегрини предложил для решения данной проблемы использовать оптические волноводы. Если реализация этого предложения будет успешной, то ЛСЭ вернет свой долг физике ускорителей.

 

Библиографический список

1. Карлов Н. В “Лекции по квантовой электронике” учеб. пособие — М.: Наука, 1983
2. “Генераторы когерентного излучения на свободных электронах”: сб. статей, пер. с англ. под ред. А. А. Рухадзе — М.: Мир, 1983
3. Федоров М. В. “Электрон в сильном световом поле” — М: Наука, 1991
4. Маршалл Т. “Лазеры на свободных электронах” пер. с англ. — М: Мир, 1987