Резонатор лазера на свободных электронах

 

Изобретение относится к мощным релятивистским электронным приборам-лазерам на свободных электронах (Л СЭ). Цель изобретения ~ повышение селективных свойств резонатора достигается путем уменьшения дифракционных потерь рабочей моды. Селекция мод в резонаторе обеспечивается путем использования дисперсионного отражателя, включающего преобразователи 4 и 5 волноводной волны в волновой пучок и зеркало. При этом зеркало располагается в зоне Френеля ,ю отношению к излучающей апертуре преобразователя. В то же время в волноводе 1 ,обеспечивается поперечное распределение поля ввиде требуемой волноводной моды, необходимой для получения высокого КПД ЛСЭ в целом. 1 ил,^ёИзобретение относите?» к технике электровакуумных приборов, а именно к мощным релятивистским электронным приборам-лазерам на свободных электронах (Л СЭ). которые используются для физических экспериментов.Целью изобретения является повышение селективных свойств резонатора путем уменьшения дифракционных потерь рабочей моды. Селекция мод в резонаторе обеспечивается путем использования дисперсионного отражателя, включающего преобразователь волноводной волны е волновой пучок и зеркало, при этом зеркало располагаетсй в зоне Френеля по отношению к излучающей апертуре преобразователя. Продольный размер зоны Френеля определяется параметромФренеля С =kb^где k =2ЯА - дли-V"""J-.на волны; b - для данного технического решения характерный размер поперечного сечения излучающего торца преобразопателя ( в осесимметричном случае он равен радиусу а волновода); L - расстойние между из- /1учающим торцом преобразователя и зеркалом. А именно, зона Френеля определяется соотношением ^ < С < 2 л.В основе изобретения лежит возможность существенного снижения дифракционных потерь на участке резонатора от волновода до отражателя путом формирования на этом участке рабочего типа колебаний в виде волнового пучка, обеспечипоя в то же время в волноводе погтсречное распределение поля в виде требуемой волноводной моды, необходимой для получения высокого КПД ЛСЭ в целом. 1Лспользопание волнового пучка позволяет скомпенсиро- ,вать дифракционную расходимость на уча-ПК»ел ю VI оliw>&

4 союз советских

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (51)5 Н 01 J 25/00

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО изОБРетениЯм и ОткРытИЯм

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

1 и ..

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (46) 07.09.91. Бюл. I" 33 (21) 4428369/21 (22) 04,04.88 (71) Институт прикладной физики АН СССР

; (72) С.Н. Власов, Г.Г. Денисов и М.А. Шапиро (53) 621.385,6 (088.8) (56) 1Я, Elals, I.Ñ. Gallordo Cyllndrlcal

Gaussian-Hermite Modes ln Restangutar

Wavegtude Resonators Appl. Phys; 1983. ч.

В-31, р, 229.

S.À. von1 ачеп Results of Cold Testing a

QuasloptlcaI CavIty for à Two-Stage FEL.

Nuclear Instruments and Methods In Physical

Research, v. А-250, р. 300; (54) РЕЗОНАТОР ЛАЗЕРА НА СВОБОДНЫХ

ЭЛЕКТРОНАХ

Изобретение относится к технике электровакуумных приборов, а именно к мощным релятивистским электронным приборам-лазерам на свободных электронах(ЛСЭ), коТорые используются для физических экспериментов.

Целью изобретения является повышение селективных свойств резонатора путем уменьшения дифракционных потерь рабочей моды. Селекция мод в резонаторе обеспечивается путем использования дисперсионного отражателя, включающего преобразователь волноводной волны в волновой пучок и зеркало, при этом зеркало располагается в зоне

Френеля по отношению к излучающей апертуре преобразователя. Продольный размер зоны Фрейеля определяется параметром

Френеля С =, где k —; il - длиkb 2л

L на волны; b — для данного технического ре„„ЯЦ, 1597014 А1 (57) Изобретение относится к мощным релятивистским электронным приборам-лазерам на свободных электронах(ЛСЭ). Цель изобретения — повышение селективных свойств резонатора достигается путем уменьшения дифракционных потерь рабочей моды. Селекция мод в резонаторе обеспечивается путем использования дисперсионного отражателя, включающего преобразователи 4 и 5 волноводной волны в волновой пучок и зеркало; при этом зеркало располагается в зоне Френеля

1о отношению к излучающей. апертуре преобразователя, В то же время в волноводе 1 . обеспечивается поперечное распределение поля в- виде требуемой волноводной моды, необходимой для получения высокого КПД

ЛСЭ в целом. 1 ил. шения характерный ра мер поперечного сечения излучающего торца преобразователя (в осесимметричном случае он равен радиусу а волновода); 1 — расстояние между излучающим торцом преобразователя и . зеркалом. А именно, зона Френеля определ ляется соотношением — < С < 2 л.

В основе изобретения лежит возможность существенного снижения дифрвкционных потерь на участке резонатора от волновода до отражателя путем формирования на этом участке рабочего типа колебаний в виде волнового пучка, обеспечивая в то же время в волноводе поперечное распределение поля в виде требуемой волноводной моды, необходимой для получения высокого КПД ЛСЭ в целом. Использование волнового пучка позволяет скомпенсировать дифракционную расходимость на уча1597014 стке отражатель-волновод.путем подбора соответствующей геометрии отражателя.

При этом дифракционная расхо„имость волновых пучков, возбуждаемых паразитными колебаниями, не компенсируется, В 5 таком резонаторе добротность рабочих колебаний существенно выше добротности паразитных.

Преобразование рабочей волны в вол- 10 новой пучок (и обратно) осуществляется с помощью преобразователей, конкретная геометрия которых (в виде плавно раскрывающегося рупора, отрезка гофрированного волновода,косо срезанного волновода и 15 т.п.) определяется рабочим типом колебания в волноводе и конструктивными особен.ностями. Так, например, при использовании в качестве рабочих мод круглого вол ново@а, имеющих азимутальные ин- 20 дексы, равные I — Н11, Е11, преобразователь может быть выполнен в виде отрезка гофрированного волновода,а отражатели — в виде сферических зеркал. Для мод высших типов преобразователем является антенна в виде 25 волновода с косым срезом, при этом.отражателем является цилиндрическое зеркало с образующей, параллельной плоскости среза, На чертеже приведен разрез одной иэ 30

i возможных конструкций резонатора, который содержит отрезок 1 многоволнового волновода, два отражателя 2 и 3 и два преобразователя 4 и 5 рабочей волны в волновой пучок. Все элементы резонатора 35 установлены соосно, в отражателях 2 и 3 выполнены отверстия 6 и T для ввода и вывода электронного пучка.

Резонатор работает следующим о6разом. 40

При возбуждении резонатора в отрезке

1 волновода устанавливается поперечная структура поля, соответствующая рабочей волноводной моде, а на участках между oT" резком 1 волновода и отражателями 2 и 3 45 устанавливается структура поля в виде волнового пучка, в который преобразуется рабочая мода с помощью преобразователей 4 и 5.

Вследствие того, что преобразователь и 50 соответствующий ему отражатель рассчитаны на выбранную рабочую моду, дифракционные потери для нее минимальны, этим обеспечивается селекция колебаний по поперечному индексу. 55

В аксиально-симметричнь х резонаторах оценка параметров основных элементов может быть сделана на основе традиционного лучевого пр.:лстлвления распространения вош.оводнь к мод. Ниже приведены основные оценочные соотношения для резонатора с преобразователями в виде рупоров с нелинейно увеличивающимися диаметрами. Длина l рупора выбирается превышающей величину 2 actg@ (а— радиус основного волновода, 64 arcsln—

У

ke

-угол Бриллюэна, k =- г-, il-рабочаядли«2л на волны, v- нуль функции Бесселя или ее производной, соответствующий волноводной моде), начальный угол Л1 раскрыва рупора выбирается 6, а конечный

Лг >Оь.

Отражатели при этом могут быть выполнены в виде вогнутых поверхностей тел вращения, образованных вращением вокруг оси дуги окружности, причем средний угол между касательной к дуге и осью резонатораблизокк P = 90 — 64, а радиус кривизны дуги превышает расстояние б от выходного торца преобразователя до отражателя, Внутренний и внешний радиусы отражателя определяются из условия отражения им волнового пучка при заданных дифракционных потерях и, как правило, меньший радиус отражателя не превышает (tg Оь — а .. а больший — не менее (tg Оь+а.

В общем случае расчет параметров преобразователя и отражателя проводится с помощью решения краевой задачи для волнового уравнения при заданном начальном распределении поля в многоволновом Bohноводе, Теоретические расчеты показывают воэможность достижения положительного эффекта при использовании в качестве рабочих волн как с низкими, так и высокими поперечными индексами. Например, для рабочей моды Но1 круглого волновода преобразователь может быть выполнен в виде нерегулярного волновода, форма поверхности которого описывается параболической зависимостью радиуса R от продольной координатыЕЯ- а 1+ (— ) 1. гдеа 6,TZi2 (аг ).) радиус основного волновода.

При длине преобразователя 1 0;15 каг, расстоянии до зеркала L 0,3 ka от излучающего торца преобразователя и радиусе кривизны зеркала Ra - 0.8 ka дифракционные потери за проход по резонатору не превышает 1 (подтверждено экспериментально). что примерно в 5 раз меньше, чем в прототипе.

1597014

Формула изобретения Составитель Е.Шитова

Редактор Е.Зубиетова Техред М.Моргентал Корректор В.Гирняк

Заказ 3724 Тираж Подписное

8НИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж 35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101

Для рабочей моды Ноз преобразователь может быть выполнен в аиде рупора, радиус которого в зависимости от продольной координаты изменяется по закону йа 1+11 — + (j надлине1Z ° 52.2

1 2 а2 ь а2 0,2 ka2. При усЛовии. что зеркало установлено на расстоянии L - 0,3 ka от излучающей апертуры преобразователя, радиусе кривизны зеркала Яз - 2,15 ka и угле наклона образующей ф 90® — — 57,3

9,7, о

ks дифракционные потери на один проход по резонатору не превышают 5Я ..

Резонатор лазера на свободных электронах. содержащий отрезок многоволново5 го волновода, установленный между отражателями, отличающийся тем. что. с целью повышения селективных свойств путем повышения дифрвкционной добротности рабочей моды, в него введены

10 два преобразователя волноводной волны в волновой пучок, каждый иэ которых состыкован одним торцом с соответствующим торцом отрезка многоволнового волновоДЯ.