Физическая энциклопедия - лазеры на свободных электронах

генераторы эл.-магн. колебаний, действие к-рых основано на излучении эл-нов, колеблющихся под действием внеш. электрич. и (или) магн. поля и перемещающихся с релятивистской поступат. скоростью в направлении распространения излучаемой волны. Благодаря Доплера эффекту частота излучения в Л. н. с. э. во много раз превышает частоту колебаний эл-нов и может попадать в диапазон от СВЧ до УФ. Эл-н в Л. н. с. э. излучает в элем, акте квант, энергия к-рого во много раз меньше исходной энергии ч-цы. Это позволяет каждому эл-ну в процессе вз-ствия с волной излучить много квантов (=103 -108). Поэтому движение и излучение ч-ц могут быть описаны уравнениями классич. электродинамики, а сами Л. н. с. э. явл. по существу классич. приборами, родственными лампе бегущей волны, клистрону и др. электронным генераторам СВЧ. Вынужденному излучению в Л. н. с. э. (как и в др. электронных приборах) при классич.

описании отвечает самосогласованный процесс, включающий в себя группирование эл-нов в сгустки под действием резонансной «затравочной» волны и последующее усиление этой волны в результате когерентного излучения образовавшихся электронных сгустков. При квант. описании возможность преобладания вынужденного излучения над поглощением объясняется небольшим различием частот волн, к-рые эл-н способен излучить we и поглотить wа.

Это различие обусловлено отдачей, испытываемой эл-ном при излучении или поглощении кванта, а в ряде случаев также отклонением от эквидистантности спектра колебат. уровней эл-нов (напр., уровней эл-на в однородном магн. поле). Т. к. в реальных условиях уширение спектр. линии, обусловленное конечностью времени нахождения эл-на в пространстве вз-ствия с волной (естеств.

ширина) существенно больше (wе-wа), то вынужденные излучение и поглощение раздельно не наблюдаются, а преобладание излучения над поглощением имеет место для волны, частота к-рой смещена в сторону wа. Наиболее коротковолновыми явл. разновидности Л. н. с. э., в к-рых колелебат. движение эл-нам сообщается пространственно-периодическим статич.

полем ондулятора (т. н. у б и т р о н, (см. ОНДУЛЯТОРНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ)) либо полем мощной НЧ волны тачки (т. н. к о м п т о н о в с к и й л а з е р, или скаттрон). Эти способы накачки близки по характеру воздействия на эл-ны, поскольку периодич. статич. поле воспринимается движущейся ч-цей как волна. При иных способах накачки осцилляторной энергии в электронный поток возможны и др.

виды вынужденного тормозного излучения эл-нов: а) вращающихся в однородном магн. Поле (м а з е р на ц и к л о т р о н н о м р е з о н а н с е), б) колеблющихся в поперечно-неоднородном электростатич. поле (с т р о ф о т р о н) и др. Кроме того, Л. н. с. э. могут быть основаны на разл. вариантах черенковского излучения (см. ЧЕРЕНКОЕА ВАВИЛОВА ИЗЛУЧЕНИЕ) и переходного излучения ч-ц, движущихся равномерно и прямолинейно в пространств.

периодич. структурах; при этом колеблются не эл-ны исходного пучка, а их зеркальные изображения в структурах. Достоинства Л. н. с. э.возможность плавной перестройки частоты генерации в широких пределах изменением поступат. скорости эл-нов или угла между излучаемой волной и направлением движения ч-ц. Эффективность преобразования энергии пучка в излучение электронный кпд Л. н. с. э.ограничивается выходом теряющих энергию ч-ц из резонанса с волной. Полоса активного в-ва Л. н. с. э. обратно пропорц. числу осцилляции, совершаемых эл-нами в пространстве вз-ствия с волной. На возможность получения коротких волн путём доплеровского преобразования частоты излучения предварительно сформированных сгустков колеблющихся ч-ц впервые указали В.

Л. Гинзбург и амер. физик Г. Моц (кон. 40 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 эксперим. реализации основанных на этом принципе слаборелятивистских электронных мазеров.

Впервые Л. н. с. э. в ИК диапазоне реализованы в США Дж. Мейди с сотрудниками на базе Станфордского линейного ускорителя эл-нов в 19761977. .