EA 026069B1 20170228

	Патентная документация ЕАПВ
Запрос:	ea000026069b*\id
Результат:	ID\|Номер и дата охранного документа

больше ...

Термины запроса в документе

Реферат

[RU]

1. Способ генерации электромагнитного излучения, включающий создание пространственно модулированной электродинамической системы, содержащей как минимум один фотонный кристалл; формирование по меньшей мере одного пучка электронов; пространственную ориентацию электродинамической системы относительно пучка электронов и проводку пучка электронов через электродинамическую систему, отличающийся тем, что фотонный кристалл пространственно модулированной электродинамической системы создают с пространственными периодами, изменяющимися так, чтобы на каждом участке упомянутого фотонного кристалла были выполнены условия синхронизма, описываемые следующими выражениями: в отсутствие внешнего поля или при наличии внешнего поля где ω - частота излученной электромагнитной волны; n - номер фотонного кристалла (n = 1, 2, ... N, N - число отдельных фотонных кристаллов пространственно модулированной электродинамической системы); k(n, r) - волновой вектор волны в точке r фотонного кристалла n пространственно модулированной электродинамической системы; τ _i (n, r) - векторы обратной решетки в точке r фотонного кристалла n пространственно модулированной электродинамической системы; - периоды пространственной решетки фотонного кристалла n пространственно модулированной электродинамической системы; k _i , l _i , m _i - целые числа, i = 1, ..., s + 1 - количество волн, образующихся в процессе излучения и в пространственно модулированной электродинамической системе, для которых может быть выполнено условие синхронизма; Ω(n, r) - частота осцилляторного движения электрона во внешнем электромагнитном поле в точке r фотонного кристалла n пространственно модулированной электродинамической системы; u(n, r) - скорость электронов в точке r фотонного кристалла n пространственно модулированной электродинамической системы.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что пространственно модулированную электродинамическую систему создают в виде набора последовательно расположенных в пространстве по ходу электронного пучка отдельных фотонных кристаллов с разными периодами, выбранными так, чтобы на каждом участке каждого фотонного кристалла были выполнены условия синхронизма, описываемые выражениями (1) или (1а).

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что по крайней мере один фотонный кристалл пространственно модулированной электродинамической системы создают соответствующим также условию, обеспечивающему существование многоволновой дифракции Брэгга излучаемой электромагнитной волны согласно следующим выражениям: в отсутствие внешнего электромагнитного поля или при наличии внешнего электромагнитного поля где условные обозначения соответствуют указанным в п.1.

4. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что пространственно модулированную электродинамическую систему создают по меньшей мере с двумя изменяющимися периодами пространственной модуляции электромагнитных свойств, из которых по крайней мере для одного периода выполняются условия синхронизма, описываемые выражениями (1), (1а), или указанные условия синхронизма и условия многоволновой дифракции Брэгга, а для всех остальных выполняются указанные условия синхронизма, или указанные условия синхронизма и указанные условия многоволновой дифракции Брэгга, или указанные условия многоволновой дифракции Брэгга.

5. Способ любому из пп.1-3, отличающийся тем, что по крайней мере один фотонный кристалл пространственно модулированной электродинамической системы дополнительно ориентируют таким образом, что на каждом его участке в окрестности точки r достигается условие s-кратного вырождения корней дисперсионного уравнения, описывающего связь между волновым числом дифрагирующего в фотонном кристалле фотона с частотой фотона в отсутствие электронного пучка, причем в окрестности точки r в присутствии электронного пучка зависимость мнимой части решения дисперсионного уравнения от плотности электронного пучка определяется выражением где - мнимая часть проекции волнового вектора на направление скорости электронного пучка в n-м фотонном кристалле пространственно модулированной электродинамической системы; - плотность электронного пучка; s - число добавочных волн, возникших в электромагнитной структуре вследствие дифракции.

6. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что создают и проводят через электродинамическую систему по меньшей мере два пространственно разнесенных пучка электронов, преимущественно распространяющихся параллельно и/или концентрично друг относительно друга.

7. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что в пространственно модулированной электродинамической системе создают по меньшей мере один канал для проводки пучка электронов.

8. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что положение пространственно модулированной электродинамической системы изменяют в процессе генерации по отношению к вектору скорости пучка электронов.

9. Объемный лазер на свободных электронах для осуществления способа по п.1, включающий пространственно модулированную электродинамическую систему, выполненную как минимум на одном фотонном кристалле, по меньшей мере один источник электронов для генерации пучка электронов через электродинамическую систему, устройство для пространственной ориентации электродинамической системы относительно пучка электронов, направляющее устройство для проводки пучка электронов относительно пространственно модулированной электродинамической системы, отличающийся тем, что фотонный кристалл пространственно модулированной электродинамической системы выполнен с пространственными периодами, изменяющимися так, чтобы на каждом участке упомянутого фотонного кристалла были выполнены условия синхронизма, описываемые выражениями (1) или (1а), приведенными в п.1.

10. Лазер для осуществления способа по п.9, отличающийся тем, что пространственно модулированная электродинамическая система выполнена в виде набора отдельных последовательно расположенных фотонных кристаллов с разными периодами, из которых по крайней мере для одного фотонного кристалла на каждом участке упомянутого фотонного кристалла были выполнены условия синхронизма, описываемые выражениями (1) или (1а), приведенными в п.1, или условия, обеспечивающие существование многоволновой дифракции Брэгга излучаемой электромагнитной волны, описываемые выражениями (2), (2а), приведенными в п.3, а для всех остальных выполняются или условия синхронизма, описываемые выражениями (1) или (1а), приведенными в п.1, или условия, обеспечивающие существование многоволновой дифракции Брэгга излучаемой электромагнитной волны, описываемые выражениями (2), (2а), приведенными в п.3.

11. Лазер по п.9 или 10, отличающийся тем, что по крайней мере один фотонный кристалл пространственно модулированной электродинамической системы соответствует и условиям синхронизма, которые в отсутствие внешнего поля описываются выражениями (1), а при его наличии - выражениями (1а), приведенными в п.1, и условию, обеспечивающему существование многоволновой дифракции Брэгга излучаемой электромагнитной волны, согласно приведенным в п.2 выражениями (2) в отсутствие внешнего поля или выражениями (2а) при его наличии.

12. Лазер по п.9 или 10, отличающийся тем, что пространственно модулированная электродинамическая система выполнена по меньшей мере с двумя периодами пространственной модуляции электромагнитных свойств, из которых по крайней мере для одного периода одновременно выполняются условия синхронизма, описываемые выражениями (1) в отсутствие внешнего поля и выражениями (1а) при его наличии, приведенными в п.1, и условия многоволновой дифракции Брэгга, описываемые приведенными в п.2 выражениями (2) в отсутствие внешнего поля и выражениями (2а) при его наличии, а для всех остальных выполняются или условия синхронизма, описываемые выражениями (1) или (1а), или условия, описываемые выражениями (2) или (2а), или условия, описываемые только выражениями (2) или (2а).

13. Лазер по п.9 или 10, отличающийся тем, что по крайней мере один фотонный кристалл пространственно модулированной электродинамической системы выполнен также таким образом, что на каждом его участке в окрестности точки r достигается условие s-кратного вырождения корней дисперсионного уравнения, описывающего связь между волновым числом дифрагирующего в кристалле фотона с частотой фотона в отсутствие электронного пучка, причем в окрестности точки r в присутствии электронного пучка зависимость мнимой части решения дисперсионного уравнения от плотности электронного пучка определяется выражением (3), приведенным в п.5.

14. Лазер по п.9 или 10, отличающийся тем, что он снабжен по меньшей мере двумя источниками пучков электронов с возможностью генерации пространственно разнесенных пучков электронов, преимущественно распространяющихся параллельно и/или концентрично друг относительно друга.

15. Лазер по п.9 или 10, отличающийся тем, что пространственно модулированная электродинамическая система выполнена по меньшей мере с одним каналом для проводки пучка электронов.

16. Лазер по п.9 или 10, отличающийся тем, что пространственно модулированная электродинамическая система снабжена устройством для изменения положения упомянутой электродинамической системы по отношению к вектору скорости пучка электронов.

Полный текст патента

(57) Реферат / Формула:

Евразийское 026069 (13) B1
патентное
ведомство
(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ЕВРАЗИЙСКОМУ ПАТЕНТУ
(45) Дата публикации и выдачи патента 2017.02.28
(21) Номер заявки 201300660
(22) Дата подачи заявки 2013.04.19
(51) Int. Cl. H01S 3/00 (2006.01) H01J25/00 (2006.01)
(54) СПОСОБ ГЕНЕРАЦИИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ И ОБЪЕМНЫЙ ЛАЗЕР НА СВОБОДНЫХ ЭЛЕКТРОНАХ ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
(31) u20120609
(32) 2012.06.15
(33) BY
(43) 2014.02.28
(96) 2013/EA/0027 (BY) 2013.04.19 (71)(73) Заявитель и патентовладелец: ЧАСТНОЕ НАУЧНО-
ПРОИЗВОДСТВЕННОЕ УНИТАРНОЕ ПРЕДПРИЯТИЕ ЦНИРТ (ЧАСТНОЕ ПРЕДПРИЯТИЕ ЦНИРТ) (BY)
(72) Изобретатель:
Барышевский Владимир Григорьевич, Гуринович Александра Анатольевна, Пефтиев Владимир Павлович (BY)
(56) ЕА-В1-4665
US-A1-20060062258 US-B2-7796660 US-B1-6597721 US-B2-6868107
(57) Изобретение относится к области электроники и, в частности, к технологии генерирования I и усиления когерентного электромагнитного излучения и может быть использовано для I разработки и производства лазеров на свободных электронах (ЛСЭ), основанных на взаимодействии электронного пучка с электродинамической структурой, имеющей периодическую пространственную модуляцию электромагнитных свойств, например диэлектрической проницаемости. В результате стимулированного излучения релятивистских свободных электронов, совершающих, наряду с поступательным, также и колебательное движение, в поле внешних сил происходит усиление или генерация когерентного электромагнитного излучения в широком диапазоне длин волн. Преимущественными областями применения данной технологии излучения являются создание источников излучения для радаров (сантиметровый и миллиметровый диапазоны), источников излучения для спектроскопических и медико-биологических исследований (субмиллиметровый и оптический диапазон), источников излучения для обработки поверхностей материалов, мощных когерентных источников излучения в широком диапазоне частот для беспроводной передачи энергии и информации, лазеров для нагрева термоядерной плазмы в термоядерных реакторах. Согласно предлагаемому изобретению способ генерации электромагнитного излучения включает создание пространственно модулированной электродинамической системы, содержащей как минимум один фотонный кристалл; формирование по меньшей мере одного пучка электронов; пространственную ориентацию электродинамической системы относительно пучка электронов и проводку пучка электронов через электродинамическую систему, отличается тем, что фотонный кристалл пространственно модулированной электродинамической системы создают с пространственными периодами, изменяющимися так, чтобы на каждом участке упомянутого фотонного кристалла были выполнены условия синхронизма. Техническим результатом данной полезной модели является осуществление способа генерации электромагнитного излучения и создание объемного ЛСЭ, имеющего более высокую, по сравнению с прототипом, эффективность взаимодействия пучка с фотонным кристаллом, большую длину зоны эффективного взаимодействия электронного пучка с фотонным кристаллом и, как следствие, большую энергию генерируемого импульса излучения.
Изобретение относится к области электроники и, в частности, к технологии генерирования и усиления когерентного электромагнитного излучения и может быть использовано преимущественно для разработки и производства лазеров на свободных электронах (ЛСЭ), основанных на взаимодействии электронного пучка с электродинамической структурой, имеющей периодическую пространственную модуляцию электромагнитных свойств, например диэлектрической проницаемости. В результате стимулированного (вынужденного) излучения релятивистских свободных электронов, совершающих, наряду с поступательным, также и колебательное движение в поле внешних сил, происходит усиление или генерация когерентного электромагнитного излучения.
Изобретение относится, в частности, к способам генерации когерентного электромагнитного излучения в широком диапазоне длин волн (сантиметровом, миллиметровом, субмиллиметровом и оптическом). Преимущественными областями применения технологии излучения в упомянутых диапазонах являются создание источников излучения для радаров (сантиметровый и миллиметровый диапазоны), источников излучения для спектроскопических и медико-биологических исследований (субмиллиметровый и оптический диапазон), источников излучения для обработки поверхностей материалов, мощных когерентных источников излучения в широком диапазоне частот для беспроводной передачи энергии и информации, лазеров для нагрева термоядерной плазмы в термоядерных реакторах.
Известен способ генерации электромагнитного излучения, включающий создание и проводку электронного пучка пространственно модулированной электродинамической системой, создание пространственно-модулированного периодического магнитного поля, одна из компонент вектора напряженности которого перпендикулярна направлению распространения электронного пучка [1].
Известен ЛСЭ ондуляторного типа, осуществленный по указанному способу, включающий источник пучка электронов, электродинамическую систему типа ондулятора или вигглера, создающую поперечное относительно направления движения пучка электронов магнитное поле с продольной вдоль оси движения электронов пространственной модуляцией, направляющее устройство, обеспечивающее проводку упомянутого электронного пучка, и резонатор электромагнитного излучения 11].
Недостатком вышеуказанного способа и ЛСЭ ондуляторного типа является сложность перестройки длины волны излучения. Это обусловлено тем, что перестройка длины волны в таком ЛСЭ может быть обеспечена только изменением энергии электронов и магнитного поля ондулятора, что при высокой мощности пучка и большой величине магнитного поля представляет сложную техническую проблему. Поэтому данный тип ЛСЭ, как правило, оптимизирован под конкретную частоту излучения. Кроме того, для генерации излучения в миллиметровом и субмиллиметровом диапазонах длин волн в ЛСЭ ондуля-торного типа необходимо использовать пучки высоких энергий (от нескольких МэВ и выше), что создает большие технологические трудности. Коэффициент усиления данного типа ЛСЭ в комтоновском режиме пропорционален плотности электронного пучка в степени 1/3. Поэтому создание мощных источников излучения требует использования электронных пучков с большой плотностью тока и ондуляторов, обладающих большой длиной (десятки метров), что ухудшает условия работы электродинамической системы, взаимодействующей с пучком.
Известен способ генерации электромагнитного излучения на основе эффекта дифракции и эффекта Смит Парселла, включающие создание и проводку электронного пучка, создание плоской периодически модулированной электродинамической системы, создание резонатора электромагнитного излучения преимущественно в виде двух оптических зеркал [3].
Известны ЛСЭ на основе дифракционного излучения (лампа обратной волны, лампа бегущей волны и оротроны) [4, 5] и эффекта Смит Парселла [6], осуществленные по указанному способу, включающие источник пучка электронов, электродинамическую систему, представляющую периодически профилированную поверхность (резонатор), вдоль которой распространяется электронный пучок, и направляющее устройство, обеспечивающее проводку упомянутого электронного пучка относительно электродинамической системы.
Недостатком вышеуказанного способа и ЛСЭ на основе дифракционного излучения и эффекта Смит Парселла является уменьшение эффективности взаимодействия электронного потока с периодической структурой (резонатором), а следовательно, и эффективности генерации излучения при уменьшении длины волны излучения и при увеличении расстояния, на котором пучок электронов находится от поверхности дифракционной решетки, а также ограничение рабочей длины генератора условиями насыщения. Поэтому при необходимости генерации излучения в сантиметровом и более коротковолновом диапазоне возникает проблема проводки электронного пучка в непосредственной близости к поверхности резонатора. При необходимости генерации мощных (более ГВт) электромагнитных импульсов возникает проблема стойкости генератора. В случае решения этой проблемы с помощью увеличения поверхности взаимодействия за счет увеличения поперечных размеров (по отношению к направлению движения пучка электронов) электродинамической системы и пучка в данных типах ЛСЭ возникает проблема селекции мод излучения. Коэффициент усиления данного типа ЛСЭ также прямо пропорционален плотности электронного пучка в степени 1/3, что приводит к тем же недостаткам, которыми обладает ЛСЭ ондуля-торного типа.
Известен способ генерации электромагнитного излучения на основе эффекта Черенкова, включаю
щий создание электронного пучка, создание диэлектрической электродинамической структуры, в которой фазовая скорость волны совпадает со скоростью электронного пучка, и проводку электронного пучка непосредственно над поверхностью диэлектрика [7].
Известен ЛСЭ на основе эффекта Черенкова, осуществленный по указанному способу, включающий источник пучка электронов, электродинамическую систему, представляющую собой диэлектрическую трубу или цилиндрическую диэлектрическую втулку или набор этих элементов, или диэлектрическую пластину, направляющее устройство, обеспечивающее проводку упомянутого электронного пучка и резонатор электромагнитного излучения [8].
Недостатком указанного способа и ЛСЭ на основе эффекта Черенкова, как и у предыдущих аналогов, является уменьшение эффективности взаимодействия электронного потока с поверхностью резонатора при увеличении расстояния, на котором он находится от поверхности резонатора, а также ограничение рабочей длины генератора условиями насыщения.
Наиболее близким по совокупности признаков является способ генерации электромагнитного излучения, включающий создание пространственно модулированной электродинамической системы, формирование и проводку электронного пучка относительно этой электродинамической системы, пространственную ориентацию электродинамической системы относительно пучка электронов таким образом, чтобы ее ориентация и пространственная периодичность были бы связаны условиями синхронизма и условиями многоволновой дифракции [9], принятый за прототип.
Известен объемный лазер на свободных электронах (ОЛСЭ), осуществленный по указанному способу, включающий источник пучка электронов, пространственно модулированную электродинамическую систему на основе двумерных или трехмерных дифракционных решеток (фотонных кристаллов), устройство для пространственной ориентации электродинамической системы относительно пучка электронов, и направляющее устройство, обеспечивающее проводку упомянутого электронного пучка относительно пространственно модулированной электродинамической системы [10].
Фотонный кристалл представляет собой объемную структуру с периодически изменяющейся диэлектрической проницаемостью, например наборы параллельных диэлектрических или металлических нитей (штырей), полос или поверхностей произвольной формы, расположенные последовательно или пронизывающие друг друга, поверхности с периодически расположенными отверстиями, поверхности с периодическим профилированием, периодические структуры, набранные из материалов различной диэлектрической проницаемостью и их всевозможные комбинации [2, 4, 6, 8-13]. При этом электронный пучок может распространяться как сквозь фотонный кристалл, так и вдоль его поверхностей, которые также являются периодически профилированными.
По сравнению с другими аналогами, упомянутыми выше, данный ОЛСЭ обеспечивает плавную перестройку длины волны излучения, более высокий коэффициент усиления при одних и тех же параметрах электронного пучка и обеспечивает объемное взаимодействие поля возбужденной электродинамической структуры с электронным пучком.
Известный ОЛСЭ имеет следующий принципиальный недостаток. Пучок электронов в ОЛСЭ, распространяясь вдоль поверхности пространственно модулированной электродинамической системы с постоянным периодом или сквозь фотонные кристаллы с постоянным периодом, замедляется, теряя энергию на излучение. При этом, изменение скорости пучка приводит к нарушению условий синхронизма и, следовательно, к изменению условий генерации (усиления) излучения на заданной частоте. В таком ОЛ-СЭ зона эффективного взаимодействия электронного пучка с фотонным кристаллом имеет ограниченную длину, определяемую условиями насыщения, и не может быть увеличена просто увеличением длины фотонного кристалла [12]. Тем самым ограничивается энергия генерируемого импульса излучения
ОЛСЭ.
Техническая задача, которую решает предлагаемое изобретение, заключается в создании способа генерации электромагнитного излучения, который обеспечивает более высокую, по сравнению с прототипом, эффективность взаимодействия пучка с фотонным кристаллом, большую длину зоны эффективного взаимодействия электронного пучка с фотонным кристаллом (а значит, и большее время эффективного взаимодействия электронного пучка с фотонным кристаллом) и, как следствие, большую энергию генерируемого импульса излучения.
Поставленная задача решается тем, что в способе генерации электромагнитного излучения, включающем создание пространственно модулированной электродинамической системы, содержащей как минимум один фотонный кристалл; создание по меньшей мере одного пучка электронов, пространственную ориентацию электродинамической системы относительно пучка электронов и проводку пучка электронов через эту электродинамическую систему, фотонный кристалл пространственно модулированной электродинамической системы создают с пространственными периодами, изменяющимися так, чтобы на каждом участке упомянутою фотонного кристалла были выполнены условия синхронизма, описываемые следующими выражениями:
в отсутствие внешнего поля

или при наличии внешнего поля
ф-(к(",г) -т,(я,г))и(я,г)-Q(",г) " <о где со - частота излученной электромагнитной волны; n
номер фотонного кристалла (n = 1, 2, ...N, N - число отдельных фотонных кристаллов пространственно модулированной электродинамической системы); k(n, г) - волновой вектор волны в точке г фотонного кристалла n пространственно модулированной электродинамической системы; ii(n, г) - векторы обратной решетки в точке г фотонного кристалла п
х,(я.г) = {-^-*"-^- /,,-г^-т,}. rf,(".r),rf2(B,r),rf,(n,r)
пространственно модулированной электродинамической системы, [wr> "л"'г> w> J - пе-
риоды пространственной решетки фотонного кристалла n пространственно модулированной электродинамической системы; ki5 li5 mi - целые числа, i = 1, s + 1 - количество волн, образующихся в процессе излучения и принимающих участие в процессе дифракции в пространственно модулированной электродинамической системе, для которых может быть выполнено условие синхронизма; Q(n, r) - частота ос-цилляторного движения электрона во внешнем электромагнитном поле в точке r фотонного кристалла n пространственно модулированной электродинамической системы; u(n, r) - скорость электронов в точке r фотонного кристалла n пространственно модулированной электродинамической системы.
Способ генерации электромагнитного излучения включает создание пространственно модулированной электродинамической системы в виде набора последовательно расположенных в пространстве по ходу электронного пучка отдельных фотонных кристаллов с разными периодами, выбранными так, чтобы обеспечить для электронного пучка в каждом фотонном кристалле условия синхронизма описываемые выражениями (1) или (1а); формирование по меньшей мере одного пучка электронов; пространственную ориентацию электродинамической системы относительно пучка электронов и проводку пучка электронов через электродинамическую систему, содержащую фотонный кристалл в пространственно модулированной электродинамической системе.
В способе генерации электромагнитного излучения по крайней мере один фотонный кристалл пространственно модулированной электродинамической системы создают также с пространственными периодами, изменяющимися так, чтобы на каждом участке упомянутого фотонного кристалла были выполнены условия синхронизма, описываемые выражениями (1) или (1а), и одновременно обеспечивалось существование многоволновой дифракции Брэгга излучаемой электромагнитной волны согласно следующим выражениям:
в отсутствие внешнего электромагнитного поля |к(", г) + т, (и, г)| - |к(л, r)|" к(", г)
В способе генерации электромагнитного излучения пространственно модулированную электродинамическую систему, содержащую по крайней мере один фотонный кристалл или набор последовательно расположенных в пространстве отдельных фотонных кристаллов, создают по меньшей мере с двумя изменяющимися периодами пространственной модуляции электромагнитных свойств, из которых по крайней мере для одного выполняются условия синхронизма (описываемые выражением (1) в отсутствие внешнего поля и выражением (1а) при его наличии) или одновременно и условия синхронизма и условия многоволновой дифракции Брэгга (описываемые выражениями (1) и (2) или (1а) и (2а)), а для всех остальных выполняются или только условия синхронизма (описываемые выражениями (1) или (1а)) или только условия многоволновой дифракции Брэгга (описываемые выражениями (2) или (2а)) или одновременно и условия синхронизма и условия многоволновой дифракции Брэгга ((1) и (2) или (1а) и (2а)).
В способе генерации электромагнитного излучения по крайней мере один фотонный кристалл пространственно модулированной электродинамической системы ориентируют таким образом, чтобы в окрестности точки r достигалось условие s-кратного вырождения корней дисперсионного уравнения, описывающего связь между волновым числом дифрагирующего в фотонном кристалле фотона с частотой фотона в отсутствие электронного пучка, причем в окрестности точки г в присутствии электронного пучка зависимость мнимой части решения дисперсионного уравнения от плотности электронного пучка определяется выражением (3)
где Im*" (",г) - мнимая часть проекции волнового вектора на направление скорости электронного пучка в п-м фотонном кристалле пространственно модулированной электродинамической системы; Ре -плотность электронного пучка; s - число добавочных волн, возникших в электромагнитной структуре вследствие дифракции.
В способе генерации электромагнитного излучения создают и проводят через пространственно модулированную электродинамическую систему по меньшей мере два пространственно разнесенных пучка электронов, преимущественно распространяющихся параллельно и/или концентрично друг относительно друга.
В способе генерации электромагнитного излучения в пространственно модулированной электродинамической системе создают по меньшей мере один канал для проводки пучка электронов.
В способе генерации электромагнитного излучения положение пространственно модулированной электродинамической системы изменяют в процессе генерации по отношению к вектору скорости пучка электронов.
Устройство для реализации вышеуказанного способа генерации электромагнитного излучения представляет собой ОЛСЭ, включающий пространственно модулированную электродинамическую систему, выполненную как минимум на одном фотонном кристалле; по меньшей мере один источник электронов для генерации пучка электронов через электродинамическую систему, устройство для пространственной ориентации электродинамической системы относительно пучка электронов; направляющее устройство для проводки пучка электронов относительно пространственно модулированной электродинамической системы, в котором фотонный кристалл пространственно модулированной электродинамической системы выполнен с пространственными периодами, изменяющимися так, чтобы на каждом участке упомянутого фотонного кристалла были выполнены условия синхронизма, описываемые выражениями (1) или (1а).
Устройство для реализации вышеуказанного способа генерации электромагнитного излучения представляет собой ОЛСЭ, включающий пространственно модулированную электродинамическую систему, которая выполнена в виде набора отдельных последовательно расположенных фотонных кристаллов с разными периодами, по меньшей мере один источник электронов для генерации пучка электронов через электродинамическую систему, устройство для пространственной ориентации электродинамической системы относительно пучка электронов; направляющее устройство для проводки пучка электронов относительно пространственно модулированной электродинамической системы, в котором по крайней мере для одного фотонного кристалла на каждом участке упомянутого фотонного кристалла были выполнены условия синхронизма, описываемые выражениями (1) или (1а), приведенными в п.1, или условия, обеспечивающие существование многоволновой дифракции Брэгга излучаемой электромагнитной волны, описываемые выражениями (2), (2а), приведенными в п.3, а для всех остальных выполняются или условия синхронизма, описываемые выражениями (1) или (1а), приведенными в п.1, или условия, обеспечивающие существование многоволновой дифракции Брэгга излучаемой электромагнитной волны, описываемые выражениями (2), (2а), приведенными в п.3.
Преимущество имеют также ОЛСЭ, в которых фотонный кристалл пространственно модулированной электродинамической системы выполнен с пространственными периодами, изменяющимися так, чтобы на каждом участке упомянутого фотонного кристалла были выполнены условия синхронизма, описываемые выражениями (1) или (1а), и, одновременно, выполнялись условия, обеспечивающие существование многоволновой дифракции Брэгга излучаемой электромагнитной волны, согласно выражениям
(2) или (2а).
Преимущество имеют также ОЛСЭ, в которых пространственно модулированная электродинамическая система выполнена по меньшей мере с двумя изменяющимися в пространстве периодами пространственной модуляции электромагнитных свойств, из которых по крайней мере для одного выполняются условия синхронизма описываемые выражением (1) в отсутствие внешнего поля и выражением (1а) при его наличии) или одновременно и условия синхронизма и условия многоволновой дифракции Брэгга ((1) и (2) или (1а) и (2а)), а для всех остальных выполняются или только условия синхронизма ((1), (1а)) или только условия многоволновой дифракции Брэгга ((2), (2а)) или одновременно и условия синхронизма и условия многоволновой дифракции Брэгга ((1) и (2) или (1а) и (2а)).
Преимущество имеют также вышеуказанные ОЛСЭ, в которых на каждом участке пространственно модулированной электродинамической системы, выполненной как минимум на одном фотонном кристалле с изменяющимися в пространстве периодами, в окрестности точки r достигается условие s-кратного вырождения корней дисперсионного уравнения, описывающего связь между волновым числом дифрагирующего в кристалле фотона с частотой фотона в отсутствие электронного пучка, причем в окрестности точки r в присутствии электронного пучка зависимость мнимой части решения дисперсионного уравнения от плотности электронного пучка определяется выражением (3).
Преимущество имеют также вышеуказанные ОЛСЭ, снабженные по меньшей мере двумя источниками пучков электронов с возможностью генерации пространственно разнесенных пучков электронов, преимущественно распространяющихся параллельно и/или концентрично друг относительно друга.
Преимущество имеют также вышеуказанные ОЛСЭ, в которых пространственно модулированная электродинамическая система выполнена по меньшей мере с одним каналом для проводки пучка электронов.
Преимущество имеют также вышеуказанные ОЛСЭ, в которых пространственно модулированная электродинамическая система снабжена устройством дом изменения положения упомянутой электродинамической системы по отношению к вектору скорости пучка электронов.
Сущность предлагаемого способа генерации электромагнитного излучения и устройства для его осуществления поясняется следующими графическими изображениями: фиг. 1 - общая схема ОЛСЭ;
фиг. 2 - схема, поясняющая взаимодействие электронного пучка с фотонным кристаллом;
фиг. 3 - схема, поясняющая взаимодействие электронного пучка с пространственно модулированной электродинамической системой, выполненной в виде набора отдельных последовательно расположенных фотонных кристаллов с разными периодами;
фиг. 4 - схема, поясняющая взаимодействие электронного пучка с пространственно модулированной электродинамической системой, выполненной по меньшей мере с двумя изменяющимися в пространстве периодами пространственной модуляции электромагнитных свойств;
фиг. 5 - схема, поясняющая взаимодействие нескольких электронных пучков с пространственно модулированной электродинамической системой;
фиг. 6 (а), (б) - схема, поясняющая взаимодействие электронного пучка с пространственно модулированной электродинамической системой: а) электродинамическая система выполнена без канала для проводки пучка электронов; б) электродинамическая система выполнена с одним каналом для проводки пучка электронов.
Известно, что для повышения эффективности процесса генерации излучения в ЛСЭ и объемных ЛСЭ в качестве резонатора можно использовать искусственные решетки (фотонные кристаллы) с изменяющимся в пространстве периодом [6].
Ниже приведены уравнения, описывающие процесс генерации излучения в фотонных кристаллах релятивистскими пучками с учетом потерь энергии в процессе излучения.
В общем случае уравнения, описывающие процесс генерации лазерного излучения, находятся из уравнений Максвелла
где е - заряд электрона; va - скорость частицы a (а нумерует частицы пучка),
?^ = -ЦЕ(Г" '))}-
dt mya [ с с2 J
(6)
Т"= <1-г)'
Лоренц-фактор; Е'г°0'^ (Н(ГЛ')> ')) . электрическое (магнитное) поле в точке ra, где
Здесь
расположена частица а.
Уравнение (6) можно также записать следующим образом [14]:
где ра - импульс частицы. Объединив уравнения (4), получаем
Если решетка идеальная, ЛУ ' ' , где т - вектор обратной решетки.
Пусть период фотонного кристалла (дифракционной решетки) плавно меняется на расстояниях, которые намного больше периода фотонного кристалла (дифракционной решетки). В этом случае удобно представить восприимчивость х <т^ в форме, обычной для теории рентгеновской дифракции в деформированных кристаллах [15]
Х(г) = 2> '"'""х,(г), (10)
где
) <К, х(г')
вектор обратной решетки вблизи точки г'- В отличие от теории рентгеновской
дифракции, в рассматриваемом нами случае Xi зависит от г. Это объясняется тем, что х' зависит от объема элементарной ячейки Q, который в фотонном кристалле, в отличие от естественного, может заметно меняться. Объем элементарной ячейки Q(r) зависит от координаты и, например, в кубической решетке
?1(г) =
определяется как ^(гщгщг^ где ^ _ периоды решетки. Если х^г' не зависит от г, то выражение (10) преобразуется в выражение, обычно используемое для описания рентгеновского излучения в деформированных кристаллах.
Волна, распространяющаяся в идеальном кристалле, может быть представлена в виде суперпозиции плоских волн
где к.^к + т.
В рассматриваемом случае характерная длина, на которой происходит изменение параметров решетки, значительно больше периода решетки. Это позволяет записать поле внутри деформированного кристалла аналогично уравнению (11), но при этом А < зависит от г и t и заметно изменяется при расстояниях, намного больших периода решетки.
Аналогично волновой вектор должен рассматриваться как медленно изменяющаяся функция координаты.
В соответствии со сказанным решение уравнения (9) ищется в виде
ф,(р) = Г*(г)Л + Ф,(г)
где и к\т) можно найти как решение дисперсионного уравнения вблизи точки с ко-
ординатным вектором r; интегрирование проводится по квазиклассической траектории, описывающей движение волнового пакета в деформированном кристалле.
Рассмотрим случай, когда все векторы обратной решетки т, определяющие многоволновую дифракцию, лежат в одной плоскости.
Предположим, что вектор поляризации волны ортогонален плоскости дифракции. Запишем уравнение (12) в виде
E(r,;) = eЈ:(rf() = eRe{A,e'(*,,"" <""+A^"*,(n"m"+••¦},
где
к,(г) = п7^+^Х0(г) можно представить в виде 1 ч <
Предположим, что период дифракционной решетки (решетки фотонного кристалла) изменяется в
одном направлении, и обозначим его как ось z.
Для одномерного случая, когда k((r))-0tj-> M^))' система уравнений (17) преобразуется следующим образом:
дА. дк, (z) 1-- + i-- dz dz
a2 , 1 9ш2е"(ю,2)5Д <Й: , , . .1 доге A(Ј> ,z)dA,
+~zn{a,z)A\ +i- f^^t-E,,^^ + /- f -~
с с cto at с с ето от
+ комплексно - сопряженный член = 4ле] \ + Vp(r.
> '(к1п+фгг|;)-(и1
со2 , . . . ) da2 &J(i),z) дА, w2 , . , . ] ctoV( +ТЕ0(й,г)Д+г- 1 + - et(e> ,zM - 1 Г" +
с с йв at с с да> at
+ комплексно - сопряженный член = 4яе| -\^г- - + Vp(r,01
\с dt )
(19)
-'fit j.t-i-i- i j UMWJ
Умножим первое уравнение на с , а второе - на ^
Это позволяет нам пренебречь быстро осциллирующими комплексно-сопряженными членами (при усреднении по периоду осцилляции они становятся равными нулю).
При анализе правой части уравнения (19) учтем, что микроскопические токи и плотности являются суммой членов, содержащих дельта-функции, так что правую часть уравнения можно переписать в виде
Здесь ta - время влета частицы а в резонатор; Та - время вылета частицы из резонатора; 9-функции в уравнении (17) показывают, что в моменты времени, предшествующие ta и следующие за Та, частица а не дает вклада в рассматриваемый процесс.
Предположим, что для направления пучка в области генерации излучения используется сильное магнитное поле.
Таким образом, задача становится одномерной (компоненты vx и vv подавляются). Усредняя правую часть уравнения (20) по положениям частиц в пучке, точкам влета частиц в резонатор г^0а и времени влета частиц в резонатор ta, получаем
\с dt
(21)
где p - плотность электронного пучка; u(t) - средняя скорость электронного пучка, которая вследст-
вие потерь энергии зависит от времени, v Г означает усреднение по поперечной координа-
те точки влета частицы в резонатор г±с" и времени влета частицы в резонатор ta.
Согласно [16] процесс усреднения в уравнении (21) упрощается, если предположить, что случайные фазы, появляющиеся в результате случайной поперечной координаты и времени влета, в уравнении (21) представлены в виде разностей. Поэтому двойное интегрирование по d г-")*с можно заменить однократным интегрированием [13].
где токи Jj, J2 определяются выражением
(23)
где i: = e"ov - плотность тока, ^=^' k!=k"o> kj-ki + t. Вьфажение для Jj в случае, когда
kx не зависит от z, было получено в [13]. Если в дифракции участвуют более двух волн, систему уравнений (23) необходимо дополнить уравнениями для волн Am, которые аналогичны уравнениям для волн A1 и А2.
(24)
так что
f > 0,ze[0,ljpe[-2n,2n], L
<т(2,/(г))> =--J уи,ИЛр)Ф-нием этой величины 2л
Уравнения (23), (26), (28), (30) описывают процесс генерации в ЛСЭ с изменяющимися параметрами фотонного кристалла (дифракционной решетки) с учетом потерь энергии электронным пучком в процессе излучения.
ОЛСЭ по фиг. 1 включает пространственно модулированную электродинамическую систему (1), выполненную как минимум на одном фотонном кристалле; проходящий через электродинамическую систему по меньшей мере один пучок электронов (2), испускаемых источником (3), устройство (4) для пространственной ориентации электродинамической системы относительно пучка электронов; направляющее устройство для проводки пучка электронов относительно пространственно модулированной (5) электродинамической системы.
Способ реализуется с помощью устройства следующим образом.
Фотонный кристалл пространственно модулированной электродинамической системы выполнен с пространственными периодами, изменяющимися так, чтобы на каждом участке упомянутого фотонного кристалла были выполнены условия синхронизма, описываемые уравнениями (1, 1а). В этом случае, как следует из уравнений (23), (26), (28), (30), изменение периода фотонного кристалла позволяет согласовать темп потери энергии с требованиями выполнения условий синхронизма для эффективного излучения и тем самым повысить эффективность взаимодействия пучка с фотонным кристаллом и обеспечить большую длину зоны эффективного взаимодействия электронного пучка с фотонным кристаллом и, как следствие, большую энергию генерируемого импульса излучения.
Электронный пучок, изначально обладающий энергией Е, взаимодействует с фотонным кристаллом, период которого в начальной области выбран таким образом, чтобы обеспечить выполнение условий синхронизма для электронного пучка с энергией Е, испускает импульс излучения, теряя часть своей энергии ДЕ1. Следующий по ходу движения электронного пучка участок фотонного кристалла имеет период, выбранный так, чтобы обеспечить выполнение условий синхронизма для электронного пучка с энергией Е - ДЕ1. Проходя через нее электронный пучок испускает импульс излучения, теряя часть своей энергии ДЕ2 и так далее, каждый m-й участок фотонного кристалла имеет период, выбранный так, чтобы
обеспечить выполнение условии синхронизма с электронным пучком с энергией rt
В ОЛСЭ по фиг. 2 фотонный кристалл пространственно модулированной электродинамической системы выполнен с пространственными периодами, изменяющимися так, чтобы на каждом участке упомянутого фотонного кристалла были выполнены условия синхронизма, описываемые уравнениями (1) или (1а), и одновременно он удовлетворял условию, обеспечивающему существование многоволновой дифракции Брэгга излучаемой электромагнитной волны, согласно уравнениям (2) или (2а).
В этом случае многоволновая дифракция приводит к увеличению коэффициента усиления и к уменьшению порогового тока, требуемого для начала генерации по сравнению со случаем, когда в результате дифракции возбуждается одна волна, и значительно сокращаются габариты резонатора.
В ОЛСЭ по фиг. 3 пространственно модулированная электродинамическая система выполнена в виде набора отдельных последовательно расположенных фотонных кристаллов с разными периодами, которые могут быть как постоянными, так и изменяющимися в пространстве, из которых по крайней мере для одного выполняются условия синхронизма (описываемые выражением (1) в отсутствие внешнего поля и выражением (1а) при его наличии) или одновременно и условия синхронизма и условия многоволновой дифракции Брэгга (в отсутствие внешнего поля выражения (1) и (2) или выражения (1а) и (2а) при его наличии), а для всех остальных выполняются или только условия синхронизма (выражения (1) или (1а)) или только условия многоволновой дифракции Брэгга (выражения (2) или (2а)) или одновременно и условия синхронизма и условия многоволновой дифракции Брэгга (выражения (1) и (2) или выражения (1а) и (2а)).
Использование нескольких фотонных кристаллов с разными периодами позволяет согласовать темп потери энергии с требованиями выполнения условий синхронизма для эффективного излучения, а выполнение условий условия многоволновой дифракции Брэгга обеспечивает возможность многоволновой объемной генерации излучения, что позволяет повысить эффективность взаимодействия пучка с фотонным кристаллом и обеспечить большую длину зоны эффективного взаимодействия электронного пучка с фотонным кристаллом и, как следствие, большую энергию генерируемого импульса излучения. В этом случае, электронный пучок, изначально обладающий энергией Е, взаимодействует с первым фотонным кристаллом, период которого выбран таким образом, чтобы обеспечить выполнение условий синхронизма (и/или условий, обеспечивающих существование многоволновой дифракции Брэгга излучаемой электромагнитной волны) для электронного пучка с энергией Е и испускает импульс излучения, теряя часть своей энергии ДЕ1. Второй по ходу движения электронного пучка фотонный кристалл имеет период, выбранный так, чтобы обеспечить выполнение условий синхронизма (и/или условий, обеспечивающих существование многоволновой дифракции Брэгга излучаемой электромагнитной волны) для электронного пучка с энергией Е - ДЕ1. Проходя через него электронный пучок испускает импульс излучения, теряя часть своей энергии ДЕ2. И так далее, каждый m-й фотонный кристалл имеет период, выбранный так,
чтобы обеспечить выполнение условий синхронизма (и/или условий, обеспечивающих существование многоволновой дифракции Брэгга излучаемой электромагнитной волны) с электронным пучком с энер-
" Е-ТАЕ, .
гиеи
Пример.
Изготавливают два фотонных кристалла диаметром 50 мм. Каждый кристалл состоит из 12 периодически расположенных слоев вольфрамовых проволок толщиной 100 мкм. Слой состоит из 7 проволок, расположенных на расстоянии 6 мм одна от другой. Период участка первого фотонного кристалла d1 = 12,5 мм, второго - d2 = 10,5 мм. В резонатор длиной 300 мм устанавливаются изготовленные кристаллы. Узкий электронный пучок с энергией 250 кэВ проводят через резонатор с помощью магнитного поля 1,6 Тл. Ток электронного пучка порядка 2 кА. Испытывают четыре варианта резонатора:
1) резонатор с фиксированным периодом, состоящий из фотонных кристаллов с периодом d1;
2) резонатор с фиксированным периодом, состоящий из фотонных кристаллов с периодом d2;
3) резонатор с переменным периодом, состоящий из двух последовательно установленных фотонных кристаллов с периодами d1 и d2;
4) резонатор с переменным периодом, состоящий из двух последовательно установленных фотонных кристаллов с периодами d2 и d1.
Как следует из таблицы, использование резонаторов в варианте 3 приводит более чем к двукратному увеличению длительности генерации и выходной мощности по сравнению с резонаторами с фиксированным периодом в вариантах 1 и 2, обусловленному восстановлением синхронизации во втором кристалле [8].
Вариант исполнения
Диапазон излучаемых
Длительность
Выходная ]
резонатора
частот, ГГц
генерации, не
мощность, кВт I
9-11
10-12
35 !
9-11
180
9-12
180
В ОЛСЭ по фиг. 4 пространственно модулированная электродинамическая система выполнена по меньшей мере с двумя изменяющимися в пространстве периодами пространственной модуляции электромагнитных свойств, из которых по крайней мере для одного выполняются условия синхронизма (описываемые выражением (1) в отсутствие внешнего поля и выражением (1а) при его наличии) или одновременно и условия синхронизма и условия многоволновой дифракции Брэгга ((1) и (2) или (1а) и (2а)), а для всех остальных выполняются или только условия синхронизма ((1) или (1а)) или только условия многоволновой дифракции Брэгга ((2) или (2а)) или одновременно и условия синхронизма и условия многоволновой дифракции Брэгга ((1) и (2) или (1а) и (2а)).
Вариант резонатора ОЛСЭ, содержащий две дифракционные решетки, в котором условия синхронизма электронного пучка с электромагнитной волной создаются одной дифракционной решеткой, а одновременное соблюдение условий многоволновой дифракции Брэгга обеспечивается второй, что позволяет согласовать темп потери энергии с требованиями выполнения условий синхронизма для эффективного излучения, и обеспечивает возможность многоволновой объемной генерации излучения, что позволяет повысить эффективность взаимодействия пучка с фотонным кристаллом и выходную мощность таких генераторов.
В ОЛСЭ на каждом участке пространственно модулированной электродинамической системы, выполненной как минимум на одном фотонном кристалле с изменяющимися в пространстве периодами, в окрестности точки r достигается условие s-кратного вырождения корней дисперсионного уравнения, описывающего связь между волновым числом дифрагирующего в кристалле фотона с частотой фотона в отсутствие электронного пучка, причем в окрестности точки r в присутствии электронного пучка зависимость мнимой части решения дисперсионного уравнения от плотности электронного пучка, определяется выражением (3).
S-кратное вырождение корней уравнения дифракции соответствует числу (s-1) добавочных волн, возникших в электромагнитной структуре вследствие дифракции, что позволяет повысить эффективность взаимодействия пучка с фотонным кристаллом и выходную мощность таких генераторов.
ОЛСЭ по фиг. 5 снабжен по меньшей мере двумя источниками пучка электронов с возможностью генерации пространственно разнесенных пучков электронов, преимущественно распространяющихся параллельно и/или концентрично друг относительно друга.
В этом случае выходное излучение ОЛСЭ является результатом суммирования когерентных вкладов в генерацию от нескольких пучков электронов. Таким образом, увеличение выходной мощности ОЛСЭ можно обеспечить за счет увеличения числа источников пучков электронов, что, как известно, является технически более простой задачей, по сравнению с увеличением мощности одиночного источника пучка электронов.
В ОЛСЭ по фиг. 6 пространственно модулированная электродинамическая система выполнена: а) без канала для проводки пучка электронов, б) с каналом для проводки пучка электронов.
Использование каналов для проводки пучка уменьшает потери электронного пучка вследствие столкновения электронов с материалом электродинамической системы, что позволяет повысить эффективность взаимодействия пучка с фотонным кристаллом и увеличить время генерации.
В ОЛСЭ пространственно модулированная электродинамическая система снабжена устройством для изменения положения упомянутой электродинамической системы по отношению к вектору скорости пучка электронов.
В этом случае изменение положения электродинамической системы по отношению к вектору скорости пучка электронов позволяет изменить условия синхронизма и/или условия дифракции электромагнитной волны в электродинамической системе, что позволяет изменять параметры излучения ОЛСЭ в процессе его работы (таким образом, например, можно изменять частоту излучения).
Из вышеприведенного следует возможность осуществления способа генерации электромагнитного излучения и объемного лазера на свободных электронах, в котором реализован указанный способ, и получение заявленного технического результата, а именно достижение более высокой, по сравнению с прототипом, эффективности взаимодействия пучка с фотонным кристаллом, большей длины зоны эффективного взаимодействия электронного пучка с фотонным кристаллом (а значит и большего времени эффективного взаимодействия электронного пучка с фотонным кристаллом) и, как следствие, большей энергии генерируемого импульса излучения.
Литература.
11] Pantell R.H., Soncini G., Puthoff Н.Е., IEEE J. Quant. Electr., 1968, V.4, p. 905. 12] Baryshevsky V.G., Gurinovich A.A. " Spontaneous and induced parametric and Smith-Purcell radiation from electrons moving in a photonic crystal built from the metallic threads" NIM (2006) V.252B, P.92.
[3] Smith S.L., Purcell E.M. Phys. Rev. 1953, V.91 p. 1069. Маршалл Т. Лазеры на свободных электронах. Москва, Мир, 1987. 338 с.
[4] Baryshevsky V.G. " Spontaneous and Induced Radiation by Relativistic Particles in Natural and Photonic Crystals. Crystal X-ray Lasers and Volume Free Electron Lasers (VFEL)" LANL e-print arXiv; physics/1101.0783vl
[5] Трубецков Д.И., Храмов A.E. Лекции по сверхвысокочастотной электронике для
физиков. В 2 т. Т.1. - М: ФИЗМАТЛИТ, 2003. -496 с. - ISBN 5-9221-0372-5
[6] Baryshevsky V.G., Gurinovich A.A. " Generation of radiation in free electron lasers with
diffraction gratings (photonic crystal) with the variable spatial period" Proceedings of FEL'06
(Berlin) (2006) TUPPH013. P.335. http://www,JACoW.ore; LANL e-print arXiv:
physics/0608068.
[7] Doucas G., Kimmitt M.F., Mulvey J.H., Omori M., Walsh J. Phys. Rev. Let., 1992, v. 69.
[8] Baryshevsky V.G., Gurinovich A.A., "Radiative instability of a relativistic electron beam
moving in a photonic crystab LANL e-prin arXiv;physics.acc-ph/1011.2983
[9] В.Г.Барышевский, К.Г.Батраков, В.Михальчик, В.П.Пефтиев, В.И.Столярский.
"Способ генерации электромагнитного излучения и объемный лазер на свободных
электронах для осуществления способа" Евразийский патент №004665.
[10] В.Г. Барышевский, К.Г. Батраков, В. Михальчик, В.П. Пефтиев, В.И. Столярский,
"Объемный лазер на свободных электронах" Полезная модель РБ № 594.
[11] Baryshevsky V.G., Belous N.A., Gurinovich А.А., Gurnevich E.A., Evdokimov V.A.,
Molchanov P.V. "Volume free electron laser with a "grid" photonic crystal with variable period:
theory and experiments Proceedings of FEL2009 (Liverpool, UK) (2009) MOPC49. P. 134,
http://www JACow.org
[12] V.G. Baryshevsky, N.A.Belous, A.A.Gurinovich, A.S.Lobko, P.V.Molchanov, V.I.Stolyarsky, Experimental study of a volume free electron laser with a " grid" resonator" Proceedings of FEL/06 (BESSY, Berlin, Germany) (2006) TUPPH012. P.331. http://www.JACoW.ora.
113] V.G. Baryshevsky, K.G. Batrakov, V.A. Evdokimov, A.A. Gurinovich, A.S. Lobko, P.V Molchanov, P.F. Safronov, V.I. Stolyarsky, "Experimental observation of radiation frequency tuning in "OLSE-IO" prototype of volume free electron iaser" NIM (2006) V.252B, P.86. [14] Ландау Л.Д., Лифшиц E.M. Теория поля. M., 1988. [15] Пинскер З.Г. Рентгеновская кристаллооптика. М., 1982.
[16] Batrakov K.G., Sytova, S.N. // Computational Mathematics and Mathematical Physics. 2005. Vol. 45. №4. P. 666.
ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
1. Способ генерации электромагнитного излучения, включающий создание пространственно модулированной электродинамической системы, содержащей как минимум один фотонный кристалл; формирование по меньшей мере одного пучка электронов; пространственную ориентацию электродинамической системы относительно пучка электронов и проводку пучка электронов через электродинамическую систему, отличающийся тем, что фотонный кристалл пространственно модулированной электродинамической системы создают с пространственными периодами, изменяющимися так, чтобы на каждом участке упомянутого фотонного кристалла были выполнены условия синхронизма, описываемые следующими выражениями:
в отсутствие внешнего поля
й> -(к(и,г)-т((и,г))и(/7,г)" <о (1) или при наличии внешнего поля
й)-(к(",г)-тДи5г))и(/7,г)-П{",г) "Ф (1а)
где со - частота излученной электромагнитной волны; n - номер фотонного кристалла (n = 1, 2, ... N, N - число отдельных фотонных кристаллов пространственно модулированной электродинамической системы); k(n, r) - волновой вектор волны в точке r фотонного кристалла n пространственно модулированной электродинамической системы; Т;(п, г) - векторы обратной решетки в точке г фотонного кристалла п
пространственно модулированной электродинамической системы; W"-r> ^(иг) d("r) J - пе-
риоды пространственной решетки фотонного кристалла n пространственно модулированной электродинамической системы; k;, l;, m; - целые числа, i = 1, s + 1 - количество волн, образующихся в процессе излучения и в пространственно модулированной электродинамической системе, для которых может быть выполнено условие синхронизма; Q(n, r) - частота осцилляторного движения электрона во внешнем электромагнитном поле в точке r фотонного кристалла n пространственно модулированной электродинамической системы; u(n, r) - скорость электронов в точке r фотонного кристалла n пространственно модулированной электродинамической системы.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что пространственно модулированную электродинамическую систему создают в виде набора последовательно расположенных в пространстве по ходу электронного пучка отдельных фотонных кристаллов с разными периодами, выбранными так, чтобы на каждом участке каждого фотонного кристалла были выполнены условия синхронизма, описываемые выражениями (1) или (1а).
3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что по крайней мере один фотонный кристалл пространственно модулированной электродинамической системы создают соответствующим также условию, обеспечивающему существование многоволновой дифракции Брэгга излучаемой электромагнитной волны согласно следующим выражениям:
в отсутствие внешнего электромагнитного поля
|к(и,г) -ь тт(/г,r)| - |lt(",r)j "k(w,r) (2) или при наличии внешнего электромагнитного поля
|к(и.г) + т,(и,г)|-|к(и,г)| "к(и.г) (2а) где условные обозначения соответствуют указанным в п.1.
4. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что пространственно модулированную электродинамическую систему создают по меньшей мере с двумя изменяющимися периодами пространственной модуляции электромагнитных свойств, из которых по крайней мере для одного периода выполняются условия синхронизма, описываемые выражениями (1), (1а), или указанные условия синхронизма и усло
4.
вия многоволновой дифракции Брэгга, а для всех остальных выполняются указанные условия синхронизма, или указанные условия синхронизма и указанные условия многоволновой дифракции Брэгга, или указанные условия многоволновой дифракции Брэгга.
5. Способ любому из пп.1-3, отличающийся тем, что по крайней мере один фотонный кристалл пространственно модулированной электродинамической системы дополнительно ориентируют таким образом, что на каждом его участке в окрестности точки r достигается условие s-кратного вырождения корней дисперсионного уравнения, описывающего связь между волновым числом дифрагирующего в фотонном кристалле фотона с частотой фотона в отсутствие электронного пучка, причем в окрестности точки r в присутствии электронного пучка зависимость мнимой части решения дисперсионного уравнения от плотности электронного пучка определяется выражением
Im г) ~ р;+3 , (3)
где lmi:''(n'r) - мнимая часть проекции волнового вектора на направление скорости электронного пучка в n-м фотонном кристалле пространственно модулированной электродинамической системы; р" -плотность электронного пучка; s - число добавочных волн, возникших в электромагнитной структуре вследствие дифракции.
6. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что создают и проводят через электродинамическую систему по меньшей мере два пространственно разнесенных пучка электронов, преимущественно распространяющихся параллельно и/или концентрично друг относительно друга.
7. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что в пространственно модулированной электродинамической системе создают по меньшей мере один канал для проводки пучка электронов.
8. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что положение пространственно модулированной электродинамической системы изменяют в процессе генерации по отношению к вектору скорости пучка электронов.
9. Объемный лазер на свободных электронах для осуществления способа по п.1, включающий пространственно модулированную электродинамическую систему, выполненную как минимум на одном фотонном кристалле, по меньшей мере один источник электронов для генерации пучка электронов через электродинамическую систему, устройство для пространственной ориентации электродинамической системы относительно пучка электронов, направляющее устройство для проводки пучка электронов относительно пространственно модулированной электродинамической системы, отличающийся тем, что фотонный кристалл пространственно модулированной электродинамической системы выполнен с пространственными периодами, изменяющимися так, чтобы на каждом участке упомянутого фотонного кристалла были выполнены условия синхронизма, описываемые выражениями (1) или (1а), приведенными в п.1.
10. Лазер для осуществления способа по п.9, отличающийся тем, что пространственно модулированная электродинамическая система выполнена в виде набора отдельных последовательно расположенных фотонных кристаллов с разными периодами, из которых по крайней мере для одного фотонного кристалла на каждом участке упомянутого фотонного кристалла были выполнены условия синхронизма, описываемые выражениями (1) или (1а), приведенными в п.1, или условия, обеспечивающие существование многоволновой дифракции Брэгга излучаемой электромагнитной волны, описываемые выражениями (2), (2а), приведенными в п.3, а для всех остальных выполняются или условия синхронизма, описываемые выражениями (1) или (1а), приведенными в п.1, или условия, обеспечивающие существование многоволновой дифракции Брэгга излучаемой электромагнитной волны, описываемые выражениями (2), (2а), приведенными в п.3.
11. Лазер по п.9 или 10, отличающийся тем, что по крайней мере один фотонный кристалл пространственно модулированной электродинамической системы соответствует и условиям синхронизма, которые в отсутствие внешнего поля описываются выражениями (1), а при его наличии - выражениями (1а), приведенными в п.1, и условию, обеспечивающему существование многоволновой дифракции Брэгга излучаемой электромагнитной волны, согласно приведенным в п.2 выражениями (2) в отсутствие внешнего поля или выражениями (2а) при его наличии.
12. Лазер по п.9 или 10, отличающийся тем, что пространственно модулированная электродинамическая система выполнена по меньшей мере с двумя периодами пространственной модуляции электромагнитных свойств, из которых по крайней мере для одного периода одновременно выполняются условия синхронизма, описываемые выражениями (1) в отсутствие внешнего поля и выражениями (1а) при его наличии, приведенными в п.1, и условия многоволновой дифракции Брэгга, описываемые приведенными в п.2 выражениями (2) в отсутствие внешнего поля и выражениями (2а) при его наличии, а для всех остальных выполняются или условия синхронизма, описываемые выражениями (1) или (1а), или условия, описываемые выражениями (2) или (2а), или условия, описываемые только выражениями (2) или (2а).
13. Лазер по п.9 или 10, отличающийся тем, что по крайней мере один фотонный кристалл пространственно модулированной электродинамической системы выполнен также таким образом, что на каждом его участке в окрестности точки r достигается условие s-кратного вырождения корней дисперси
10.
онного уравнения, описывающего связь между волновым числом дифрагирующего в кристалле фотона с частотой фотона в отсутствие электронного пучка, причем в окрестности точки r в присутствии электронного пучка зависимость мнимой части решения дисперсионного уравнения от плотности электронного пучка определяется выражением (3), приведенным в п.5.
14. Лазер по п.9 или 10, отличающийся тем, что он снабжен по меньшей мере двумя источниками пучков электронов с возможностью генерации пространственно разнесенных пучков электронов, преимущественно распространяющихся параллельно и/или концентрично друг относительно друга.
15. Лазер по п.9 или 10, отличающийся тем, что пространственно модулированная электродинамическая система выполнена по меньшей мере с одним каналом для проводки пучка электронов.
16. Лазер по п.9 или 10, отличающийся тем, что пространственно модулированная электродинамическая система снабжена устройством для изменения положения упомянутой электродинамической системы по отношению к вектору скорости пучка электронов.
14.
Евразийская патентная организация, ЕАПВ Россия, 109012, Москва, Малый Черкасский пер., 2
026069
- 1 -
(19)
026069
- 1 -
(19)
026069
- 4 -
(19)
026069
- 5 -
026069
- 5 -
026069
- 7 -
026069
- 7 -
026069
- 8 -
026069
- 8 -
026069
- 9 -
026069
- 15 -