Вынужденное излучение — это когерентная часть излучения, которая появляется в результате синхронизации (фазировки) излучателей. Это явление приводит к усилению волны в излучающей среде и к появлению когерентного излучения между зеркалами лазера. Так вот, ЛСЭ — это те лазеры, которые используют эффект вынужденного ондуляторного излучения, то есть такого, которое излучает электрон, когда проходит через специальную периодическую магнитную систему — ондулятор.
А почему он излучает? Потому что когда электрон движется по непрямолинейной траектории в ондуляторе, он ускорен, а всякий заряд, движущийся с ускорением, излучает. ЛСЭ — это ондулятор и электронный пучок, из которых можно делать разные комбинации.
ЛСЭ отличаются от других лазеров двумя особенностями. Во-первых, они могут обеспечивать любую, наперед заданную, длину волны от 1 миллиметра до 1Å, в отличие от остальных лазеров, которые могут, как правило, генерировать излучения в довольно узком диапазоне длин волн. Здесь же мы видим, что этот диапазон длин волн от 1 мм до 1 Å составляет 7 порядков. Кроме того, можно относительно быстро перестраивать длину волны излучения на десятки процентов.
Еще одно отличие заключается в том, что средняя мощность ЛСЭ может быть довольно высокой. Американцы продемонстрировали мощность 14 киловатт, и это, конечно, рекорд для ЛСЭ, хотя лазеры других типов могут быть более мощными. Но электронный пучок, который ЛСЭ использует как рабочее тело, может быть гораздо более мощным.
Поскольку сильных ограничений на мощность нет, есть проекты ЛСЭ на мощности в сотни киловатт. Они могут быть интересны для технологических применений, потому что для производства нужна большая мощность, так как от этого зависит производительность. Более того, существуют и другие проекты, например, подсветка (энергоснабжение) спутников.
- А какие есть ограничения на мощность у обычных лазеров?
- У многих лазеров ограничение мощности определяется тем, что после того, как рабочая среда отдает часть энергии, ее нужно заменить на другую. Например, ее можно прокачивать через рабочий объем лазера.
В ЛСЭ скорость прокачки — это скорость света, а значит, она самая высокая, какая может быть. Поэтому и мощность ЛСЭ потенциально — самая большая.
Кроме того, рабочим телом ЛСЭ является электронный пучок, который летит в магнитном поле, и так как в некотором смысле это вакуум, то ток пучка может быть довольно большим. В других лазерах, как правило, есть среда, в среде обычно бывают паразитные потери, которые ее греют, это и ограничивает среднюю мощность таких лазеров.
В рабочей среде ЛСЭ нет лишних примесей, есть только электроны, которые излучают. То есть электронный пучок, который выполняет в ЛСЭ роль среды, идеально для этого подходит.
Еще нужно отметить, что в электронных пучках средняя мощность (произведение энергии электрона на ток пучка), может быть очень большой, и нужно просто суметь отобрать часть этой мощности. Например, в электронных накопителях энергия электрона — несколько ГэВ, и ток может быть 1 ампер, и получаем один гигаватт средней мощности. Если от них отобрать хотя бы одну тысячную, то уже будет довольно большая мощность (в нашем примере — один мегаватт).
На самом деле электронные накопители для мощных ЛСЭ не подходят, но наш пример демонстрирует, что в электронных пучках может быть большая средняя мощность. Итак, для мощных ЛСЭ нужен мощный электронный пучок. Чтобы его получить, надо построить специальный ускоритель, так называемый ускоритель-рекуператор. Этим мы и занимаемся.
- Где, когда и кем были построены первые ЛСЭ?
- ЛСЭ являются ближайшими родственниками вакуумных электронных сверхвысокочастотных (СВЧ) приборов магнетронов, клистронов и, особенно, ламп бегущей волны. В них тоже используется электронный пучок, и тоже часть его мощности переводится в мощность электромагнитных волн, только длины волн другие. Поэтому к ЛСЭ люди подходили с разных сторон. Одна из сторон: это просто совершенствование вакуумных электронных СВЧ приборов.
Одним из первых шагов в создании ЛСЭ можно считать статью П. Л. Капицы и П. А. М. Дирака (1933), где был описан так называемый эффект Капицы-Дирака, то есть вынужденное комптоновское рассеяние, происходящее вследствие группировки электронов в поле стоячей электромагнитной волны. В некотором смысле этот эффект лежит в основе устройства ЛСЭ, но работа П. Л. Капицы и П. А. М. Дирака была надолго забыта, потому что тогда этому не нашлось практического применения.
Затем В.Л. Гинзбургом в 1947 году были предложены ондуляторы. Это такие устройства, в которых электроны летят по периодически искривленной траектории (она напоминает синусоиду). В ондуляторах электроны излучают довольно интенсивно.
Изначально они были предложены для того, например, чтобы детектировать космические лучи. В. Л. Гинзбург рассчитал параметры этого излучения — его спектральные свойства и угловую направленность.
После этого в 50-е гг, в Америке Ганс Моц построил такую магнитную систему, и называл ее «ондулятор». Он поставил ее на электронный пучок линейного ускорителя, измерил параметры излучения и показал, что, действительно, электроны в такой системе могут интенсивно излучать. Потом ондуляторы были использованы и для генерации рентгеновского излучения в современных накопителях, то есть не на ЛСЭ, а просто как источники спонтанного рентгеновского излучения. Они были использованы и в ЛСЭ.
В 1960 г в Америке Р. Н. Филлипс построил СВЧ прибор, генератор сверхвысокочастотных волн, который назывался убитроном. В нем электроны проходили через ондулятор (то есть все было как в ЛСЭ), но только электронный пучок имел довольно низкую энергию. В результате длина волны была сантиметровой, а не миллиметровой, или субмиллиметровой, как в современных ЛСЭ. Это еще один этап в создании ЛСЭ в их современном понимании.
Дальше проблема была в том, чтобы создать достаточно хороший электронный пучок с малыми размерами, с малыми угловыми разбросами для того, чтобы генерировать не сантиметровое излучение, а более коротковолновое. И этот шаг был сделан позже, в 1976 году.
Группа Джона Мэйди в Америке построила сверхпроводящий ондулятор. Они использовали очень хороший пучок из своего сверхпроводящего высокочастотного ускорителя и продемонстрировали усиление и генерацию электромагнитного излучения на длине волны около трех микрон.
Вот это и считается первым работающим ЛСЭ. В нем было практически все то, что есть в современных ЛСЭ: ондулятор, электронный пучок малого размера, оптический резонатор. Он работал следующим образом. Световой пучок, проходя вместе с электронным, усиливается. В лазере установлены два зеркала, последовательно отражающие свет. После этого свет опять проходил через тот же усилитель (ондулятор с электронным пучком). Так происходило многократное усиление сигнала до тех пор, пока не наступало насыщение.
После работ группы Мэйди многие заинтересовались ЛСЭ и стали делать их на разных ускорителях.
Одной из самых важных частей этой проблемы было создание такого ускорителя, который обеспечивал бы нужный пучок для ЛСЭ. Многие группы занялись решением этой задачи, и мы тоже. В нашем Институте ядерной физики ЛСЭ начали заниматься в 1977 году, были написаны теоретические работы В. Н. Байером и А. И. Мильштейном, а также А.Н. Скринским и мной.
В нашей работе предлагалось усовершенствовать ЛСЭ. Это усовершенствование назвали оптическим клистроном. Мы сделали небольшую модель, которую потом поставили на электронный накопитель ВЭПП-3. Так началась работа с ЛСЭ в нашем институте.
- На каких длинах волн работа ЛСЭ будет оправдана?
- Сейчас ЛСЭ работают в диапазоне длин волн от 1 мм до 1 Å, но стоит отметить следующее: большим недостатком ЛСЭ является использование ускорителей. Потому что они большие и требуют радиационной защиты. Для ускорителя необходимо отдельное помещение с толстыми бетонными стенами. Соответственно, это дорогостоящие установки, поэтому, конечно, на тех длинах волн, где работают другие лазеры, использовать ЛСЭ невыгодно и не следует.
Тогда встает вопрос: какие есть диапазоны, «незакрытые» обычными лазерами? Таких диапазона два. Один, естественно, — рентгеновский. Все давно хотели иметь рентгеновский лазер, и вот они его получили в виде ЛСЭ, который построили в Америке в Стэнфордском центре линейных ускорителей. А второй диапазон — это субмиллиметровый.
Оказалось, что на длинах волн от 1 мм и короче (до 10 микрон) тоже нет перестраиваемых лазеров. Есть лазеры, которые создают излучение с некоторыми выделенными длинами волн, а вот перестраиваемых нет, также как и достаточно мощных. И вот этот субмиллиметровый, или (если по частотам) терагерцовый, диапазон тоже оказался полезным и неосвоенным, то есть тем диапазоном, в котором есть смысл работать ЛСЭ, потому что другие лазеры в таком диапазоне сделать невозможно.
