Лазеры на свободных электронах реферат

Обновлено: 02.07.2024

Показана возможность создания лазера на свободных электронах, перестраиваемого вплоть до диапазона гамма-лучей.

В настоящее время интенсивно развивается релятивистская электроника. Значительное место в ней занимают устройства, которые называются лазерами на свободных электронах (ЛСЭ). Их принцип основан на том, что движущаяся заряженная частица (ДЗЧ) приводится в колебательное движение поперек направления своего движения. При этом возникает излучение в малом телесном угле вперед по направлению движения ДЗЧ. Это излучение зависит от продольной скорости ДЗЧ, и шага ондулятора (см. ниже). Оно может быть когерентным, что и дало название ЛСЭ.

Для того, чтобы частица имела поперечные колебания, применяется система называемая ондулятором. По принципу воздействия на ДЗЧ ондуляторы делятся на электрические и магнитные. Здесь рассматривается магнитная система Рис. 1.

Недостатком существующих ондуляторов является то, что для создания необходимого магнитного поля (МП) используются постоянные электромагниты с сердечником. Это конструктивно ограничивает шаг ондулятора - Lонд ( период изменения МП в системе).

Для создания интенсивного пучка ДЗЧ и увеличения выходной мощности ЛСЭ, применена многоканальная схема со сложением отдельных пучков (Рис. 2)

Источником ДЗЧ могут быть электронные и ионные пушки, радиоактивные источники высокой интенсивности (Pu, Co, Sr …), космические лучи и потоки ДЗЧ от Солнца. Вполне возможно применение ТРЕГа в качестве источника ДЗЧ – тогда это будет протонный или альфа-лазер.

На Рис.2 показаны: 1 - первичные пучки ДЗЧ; 2 - рассеивающая магнитная линза; 3 - суммарный пучок ДЗЧ; 4 - ондулятор; 5 - выходное излучение.

Особенностями данной схемы являются: 1) применение для сборки пучков универсальной магнитной линзы в рассеивающем режиме - это позволяет минимизировать апертуру суммарного пучка ДЗЧ; 2) применение магнитного ондулятора со сверхмалым, регулируемым периодом, что позволяет значительно повысить частоту выходного излучения. При увеличении энергии излучаемого кванта до 80MeV, становится возможной фотоядерная реакция: 83Bi209+80MeV® 79Au197+22He4+4nO. Появляется возможность фотоядерного разложения радиоактивных отходов, обычных и боевых ядерных материалов.

На Рис.3 показаны: 1) секционированная тороидальная катушка с током I (для секций могут быть использованы обмотки электродвигателей различного типа, мощности и назначения); 2) тороидальное плазменное образование с ДЗЧ (сильно увеличено); 3) МП, исполняющее роль ондулятора; 4) выходное излучение. Пунктиром показаны дополнительные управляющие слаботочные обмотки.

Они используются для создания слабого МП, которое однонаправлено с основным МП и вращается путем последовательного цикличного переключения обмоток. Это МП – для динамического выравнивания возможных технологических неоднородностей основного МП.

Раздел: Наука и техника
Количество знаков с пробелами: 2834
Количество таблиц: 0
Количество изображений: 2

Функция "чтения" служит для ознакомления с работой. Разметка, таблицы и картинки документа могут отображаться неверно или не в полном объёме!

Под лазерами на свободных электронах (ЛСЭ) обычно понимают устройства (приборы), в которых происходит усиление или генерация когерентного электромагнитного излучения с использованием явления стимулированного излучения релятивистских свободных электронов, совершающих наряду с поступательным также и колебательное движение в поле внешних сил. В качестве таких внешних сил могут выступать силы, действующие на электрон со стороны пространственно-периодических магнитного (магнитостатическая накачка) или электрического (электростатическая накачка) полей либо интенсивной электромагнитной волны, падающей на электронный пучок (электромагнитная накачка). Накачка первого типа имеет место в ондуляторах и убитронах, накачка второго типа может проявиться при каналировании электронов в кристаллах. Электромагнитная накачка может быть использована для преобразования мощного длинноволнового СВЧ-излучения в коротковолновое — инфракрасное и оптическое — при его рассеянии на релятивистском электронном пучке.

В понятие ЛСЭ нередко включают более широкий класс источников когерентного излучения, в которых используется индуцированное излучение релятивистских свободных электронов любой природы, в том числе черенковское, переходное, тормозное, магнитотормозное и т. д. Источники СВЧ-излучения на нерелятивистских электронных пучках, основанные на указанных механизмах (ЛБВ, ЛОВ, карсинотроны, гиротроны, магнетроны, клистроны и т. д.), уже получили широкое распространение и достаточно хорошо изучены, чего нельзя сказать о ЛСЭ.

Характерная особенность ЛСЭ, отличающая их от приборов классической электроники, заключается в том, что благодаря использованию релятивистских эффектов имеется возможность генерации коротковолнового излучения в макроскопических системах.

Вторая отличительная особенность ЛСЭ, выделяющая их также и среди других, уже хорошо разработанных, источников когерентного излучения (например: традиционных ОКГ на переходах дискретного спектра атомов и молекул) заключается в возможности плавной перестройки частоты в широком диапазоне с помощью изменения макроскопических параметров: энергии электронного пучка либо периода магнитного поля накачки.

Именно эти особенности делают ЛСЭ наиболее перспективными из всех известных источников когерентного излучения и обусловливают все возрастающий интерес к ним, наблюдающийся в последние годы.

Генерация СВЧ электронными потоками

Рассматривая физические основы квантовой электроники и принципы действия тех или иных конкретных лазеров, мы видели, что использование эффекта индуцированного излучения в системах с дискретными уровнями энергии (дискретными зонами энергии), т. е. в системах, существенно квантовых, позволило квантовой электронике единым методом генерации охватить огромный спектральный диапазон от радиоволн до вакуумного УФ излучения. Здесь необходимо подчеркнуть одно многозначительное обстоятельство. Несмотря на существование квантовых усилителей и генераторов (мазеров), генерация электромагнитных колебаний в радио- (СВЧ) диапазоне основывается, главным образом, на взаимодействии потоков свободных электронов с волноводными и резонаторными структурами, т. е. осуществляется

Движущаяся заряженная частица, попав в ондулятор, совершает периодические колебания и генерирует ондуляторное излучение. В общем случае цуги волн ондуляторного излучения представляют собой гармоники, кратные основной частоте. Частоты Читать ещё >

• электроника. часть 3 квантовая и оптическая электроника

Лазеры на свободных электронах ( реферат , курсовая , диплом , контрольная )

Лазеры на свободных электронах представляют собой генератор когерентных электромагнитных колебаний оптического диапазона длин волн, принцип работы которого основан на взаимодействии пучка свободных релятивистских электронов с пространственнопериодическим электрическим или магнитным полем.

Лазер на свободных электронах близок к приборам релятивистской высокочастотной электроники. Это прибор, принцип работы которого основан на эффектах квантовой и вакуумной электроники.

Пучок релятивистских электронов создается ускорителем заряженных частиц и направляется в ондулятор. Ондулятор представляет собой устройство, в котором создаются электромагнитные поля, действующие на движущуюся в нем заряженную частицу с периодической силой. Так, что среднее за период значение силы равно нулю.

Движущаяся заряженная частица, попав в ондулятор, совершает периодические колебания и генерирует ондуляторное излучение. В общем случае цуги волн ондуляторного излучения представляют собой гармоники, кратные основной частоте. Частоты

где Q = — частота колебаний частицы в ондуляторе. При 0 = 0 частоты ондуля;

торного излучения максимальны. Длина волны первичного излучения в направлении движения электронов.

где А. — период электрического или магнитного поля в ондуляторе, у — отношение кинетической энергии электрона к их энергии покоя. Если у «I, то X «Хо (частота первичного излучения во много раз превышает частоту поперечных колебаний электронов). В открытом резонаторе, в который направляются релятивистские электроны и создаваемая ими первичная электромагнитная волна, происходит усиление волны и генерация направленного когерентного излучения. Такое излучение возникает из-за явления самосогласованного процесса, включающего в себя группирование электронов в сгустки под действием резонансной первичной волны. Группирование электронов возможно только при условии расходимости пучка, нс превышающей несколько миллирадиан, и при условии моноэнергетичности электронов. Усиление происходит за счет когерентного излучения образовавшихся электронных сгустков.

В лазерах на свободных электронах есть возможность плавной перестройки длины волны генерации путем изменения величины кинетической энергии электронов. Так, получена генерация в инфракрасном диапазоне длин волн (10,8 мкм, 3,4 мкм, 0,65 мкм). Средняя мощность излучения составляет около 5 Вт. КПД составляет — 1%, но может быть увеличен до 40% при условии возврата электронов в резонатор.

ЛА́ЗЕР НА СВОБО́ДНЫХ ЭЛЕКТРО́НАХ (ЛСЭ), ге­не­ра­тор ко­ге­рент­ных элек­тро­маг­нит­ных ко­ле­ба­ний ко­рот­ко­вол­но­во­го диа­па­зо­на (в т. ч. све­то­во­го), в ко­тором ак­тив­ной сре­дой яв­ля­ет­ся по­ток ре­ля­ти­ви­ст­ских элек­тро­нов. Идея ис­поль­зо­ва­ния ре­ля­ти­ви­ст­ских элек­тро­нов для по­лу­че­ния ко­рот­ко­вол­но­во­го элек­тро­маг­нит­но­го из­лу­че­ния на ос­но­ве Доп­ле­ра эф­фек­та поя­ви­лась в 1940-х гг. (В. Л. Гинз­бург , Г. Мотц). Ре­ля­ти­ви­ст­ский элек­трон, ко­леб­лю­щий­ся в ста­ти­че­ском про­стран­ст­вен­но-пе­рио­ди­че­ском маг­нит­ном по­ле, мо­жет из­лу­чать в на­прав­ле­нии сво­его по­сту­па­тель­но­го дви­же­ния элек­тро­маг­нит­ные вол­ны с дли­ной вол­ны, мно­го мень­шей пе­рио­да не­од­но­род­но­сти маг­нит­но­го по­ля. Сис­те­мы та­ко­го ти­па ( он­ду­ля­то­ры ) дав­но ис­поль­зу­ют­ся для по­лу­че­ния ко­рот­ко­вол­но­во­го из­лу­че­ния. Од­на­ко это из­лу­че­ние не­ко­ге­рент­ное. Для по­лу­че­ния ко­ге­рент­но­го из­лу­че­ния не­об­хо­ди­мо соз­дать ус­ло­вия син­хро­низ­ма дви­жу­ще­го­ся пуч­ка элек­тро­нов и вол­ны, по­доб­ные тем, ко­то­рые соз­да­ют в СВЧ-при­бо­рах и при­бо­рах ре­ля­ти­ви­ст­ской вы­со­ко­час­тот­ной элек­тро­ни­ки (уби­тро­не, лам­пе бе­гущей вол­ны , лам­пе об­рат­ной вол­ны ). В этих элек­трон­ных при­бо­рах из­лу­че­ние фор­ми­ру­ет­ся при об­ра­зо­ва­нии не­одно­род­но­стей (элек­трон­ных сгу­ст­ков) в сис­те­ме элек­трон­ный по­ток – элек­тро­маг­нит­ное по­ле, при­во­дя­щих к син­фаз­но­му (ко­ге­рент­но­му) из­лу­че­нию. Так, в уби­тро­не (уси­ли­те­ле или ге­не­ра­то­ре) ко­ге­рент­ное мик­ро­вол­но­вое из­лу­че­ние воз­ни­ка­ет в ре­зуль­та­те взаи­мо­дей­ст­вия дви­жу­ще­го­ся в он­ду­ля­то­ре элек­трон­но­го по­то­ка с элек­тро­маг­нит­ной вол­ной, для ко­то­рых вы­пол­ня­ет­ся ус­ло­вие син­хро­низ­ма: $$ω-𝑘_zv_z≈2πv_z/d,$$ где $\omega$ , $𝑘_z$ – час­то­та и про­ек­ция вол­но­во­го век­то­ра элек­тро­маг­нит­ной вол­ны на на­прав­ле­ние по­сту­па­тель­но­го дви­же­ния пуч­ка, $v_z$ – про­доль­ная ком­по­нен­та ско­ро­сти элек­тро­нов, $d$ – пе­ри­од он­дуля­тора. Из это­го ус­ло­вия вид­но, что при боль­шой ки­не­тич. энер­гии $W$ элек­тро­на, ко­гда его ско­рость близ­ка ско­ро­сти све­та $c$ , дли­на вол­ны из­лу­че­ния $λ=2πc/ω$ ста­но­вит­ся зна­чи­тель­но мень­ше пе­рио­да $d$ , а имен­но: $λ≌d/2γ^2$ , где $\gamma=1/\sqrt <1-(v/c)^2>$ – ре­ля­ти­ви­ст­ский фак­тор. Для элек­тро­на $W=0,511(\gamma-1)$ МэВ. Важ­ное дос­то­ин­ст­во уби­тро­на – воз­мож­ность пе­ре­стро­ить час­то­ту уси­лен­но­го из­лу­че­ния за счёт из­ме­не­ния энер­гии элек­тро­нов.

Генерация СВЧ электронными потоками. Длина волны излучения. Теория ЛСЭ; ондуляторный лазер на свободных электронах. Основные конструктивные элементы ЛСЭ. Режимы работы и классификация. Экспериментальные исследования ЛСЭ на однородных ондуляторах. Применения ЛСЭ.

Атомая физика

• формат ppt
• размер 481.5 КБ
• добавлен 24 декабря 2009 г.

Презентация состоит из 17 слайдов. В данной работе описаны: Строение атома (Резерфода), Модель атома водорода по Бору, Квантовые постулаты Бора, Испускание и поглощение света атомами, Лазеры.

Колебания и волны

• формат doc
• размер 335 КБ
• добавлен 13 марта 2011 г.

Введение Колебания Периодическое движение Свободные колебания Маятник. Кинематика его колебаний Гармоническое колебание. Частота Динамика гармонических колебаний Превращение энергии при свободных колебаниях Период Сдвиг фаз Вынужденные колебания Резонанс Волны Поперечные волны в шнуре Продольные волны в столбе воздуха Звуковые колебания Музыкальный тон. Громкость и высота тона Акустический резонанс Шумы Волны на поверхности жидкости Скорость расп.

Конструкция и виды лазеров, реализованных на красителях

• формат docx
• размер 43.42 КБ
• добавлен 01 апреля 2011 г.

Введение Лазеры собранные на органических красителях Виды активной среды Накачка Непрерывная перестройка частоты излучения Разделение изотопов Расширение спектрального диапазона лазера Одноструйный субпикосекундный лазер на красителе в режиме самонастройки Узкополосный импульсный лазер на красителях с электродинамическими приводами поворота дисперсионных элементов Заключение Список литературы

Лазерная запись

• формат doc
• размер 5.68 МБ
• добавлен 26 августа 2009 г.

Наряду с научными и техническими применениями лазеры используются в информационных технологиях для решения специальных задач, причем эти применения широко распространены или находятся в стадии исследований. Наиболее распространенными примерами таких применений являются оптическая цифровая память, оптическая передача информации, лазерные печатающие устройства, кроме того они применяются в вычислительной технике в качестве различных устройств.

Лазерные технологии и их использование

• формат doc
• размер 22.91 КБ
• добавлен 30 ноября 2010 г.

ИжГСХА ВУЗ Особенности лазерного излучения. Лазерный луч. Разновидности лазеров. газовые лазеры; полупроводниковые лазеры. Лазерные технологии.

Лазеры

• формат doc
• размер 5.92 КБ
• добавлен 30 апреля 2008 г.

Лазеры и их применение

• формат docx
• размер 155.37 КБ
• добавлен 26 августа 2010 г.

Принцип действия лазеров. Основные свойства лазерного луча. Монохроматичность лазерного излучения. Его мощность. Гигантский импульс. Характеристики некоторых типов лазеров. Практическое применение оптических квантовых генераторов. Применение лазерного луча в промышленности и технике. Применение лазеров в медицине. Лазер в офтальмологии. Протонная терапия опухолей. Лазеры в вычислительной технике. Лазерные технологии – средство записи и обработки.

Полупроводниковый лазер

• формат doc
• размер 15.44 КБ
• добавлен 29 мая 2010 г.

Реферат на тему полупроводниковый лазер(или, что одно и то же, лазеры на диодах). В нем рассмотрены следующие вопросы: принцип действия, виды полупроводниковых лазеров, инверсная населенность, применение. Саратовский государственный университет, 4 курс, физический факультет.

Рентгеновское и вынужденное излучения

• формат docx
• размер 84.83 КБ
• добавлен 19 ноября 2008 г.

В данной работе рассматривается рентгеновское и вынужденное излучения. Рентгеновское излучение. Принцип возникновения. Способы применения. Вынужденное излучение. Лазеры. Принцип действия лазеров. Классификация лазеров. Газовый лазер. Применение лазеров.

Эффект Холла. Магнетосопротивление

• формат doc
• размер 2.23 МБ
• добавлен 05 марта 2011 г.

Эффект Холла Объяснение эффекта Холла с помощью электронной терии Угол Холла Постоянная Холла Эффект Холла в ферромагнетиках Эффект Холла при примесной проводимости Эффект Холла при собственной проводимости Эффект Холла на инерционных электронах в полупроводниках Квантовый эффект Холла Спиновый эффект Холла Измерение эффекта Холла Магнетосопротивление Описание сущности и модели магнетосопротивления Основные характеристики магнетосопротивления Пр.

Читайте также:

  
• Демографический взрыв и его последствия реферат
  
• Опасности и их источники реферат
  
• Культура руси 12 13 века реферат
  
• Язык программирования алгол реферат
  
• Мой город тараз реферат