Мультигармонические процессы в супергетеродинных лазерах на свободных электронах

Abstract

Дисертаційна робота присвячена теоретичному дослідженню мультигармонічних процесів у супергетеродинних лазерах на вільних електронах (СЛВЕ), створенню на базі СЛВЕ формувачів потужних електромагнітних хвиль із широким частотним спектром, зокрема ультракоротких кластерів. Запропоновано метод формування ультракоротких кластерів електромагнітного поля та концепцію мультигармонічних лазерів на вільних електронах, основне призначення яких полягає у формуванні інтенсивних електромагнітних хвиль із широким спектром. Для формування потужних мультигармонічних електромагнітних хвиль запропоновано використовувати режими роботи двопотокових СЛВЕ, у яких частота першої гармоніки хвилі просторового заряду набагато менша за критичну частоту двопотокової нестійкості. Проведено амплітудний, фазовий і спектральний аналіз процесів, що проходять під час формування ультракоротких електромагнітних кластерів у таких пристроях. Показано, що двопотокові СЛВЕ з енергіями пучків ~ 3,3 МеВ здатні формувати ультракороткі електромагнітні кластери тривалістю ~ 40 фс. Запропоновано концепцію плазмово-пучкового СЛВЕ Н-убітронного типу, які можуть працювати в режимах формування потужних мультигармонічних хвиль у мм-субмм діапазоні. Показано, що для його реалізації достатньо використовувати монохроматичні системи накачки. Побудовано самоузгоджені кубічно-нелінійні теорії параметрично-резонансних взаємодій електромагнітних хвиль у плазмово-пучковому СЛВЕ доплертронного типу й електронно-хвильових СЛВЕ. Показано, що ці системи можуть працювати як високоефективні підсилювачі потужності в мм-субмм і субмм-ІЧ діапазонах хвиль відповідно з високим рівнем монохроматичності. При цитуванні документа, використовуйте посилання http://essuir.sumdu.edu.ua/handle/123456789/29384

Диссертационная работа посвящена теоретическому исследованию мультигармонических процессов в супергетеродинных лазерах на свободных электронах (СЛСЭ), созданию на базе СЛСЭ формирователей мощных электромагнитных волн с широким частотным спектром, в том числе ультракоротких кластеров. Предложен метод формирования ультракоротких кластеров электромагнитного поля, суть которого состоит в генерации входным сигналом высших гармоник с соизмеримыми амплитудами, суперпозиция которых формирует такой кластер. Предложена концепция мультигармонических лазеров на свободных электронах (ЛСЭ), основное предназначение которых состоит в формировании интенсивных электромагнитных волн с широким спектром. Предложено ряд схем мультигармонических ЛСЭ, в том числе и формирователей ультракоротких кластеров. Проанализированы трехволновые параметрически-резонансные взаимодействия волн пространственного заряда (ВПЗ) в двухскоростном релятивистском электронном пучке (РЭП). Проведена их классификация и выяснено, что здесь возможна реализация 16 разных типов резонансных взаимодействий. Четыре из них имеют множественный характер – условия трехволнового параметрического резонанса выполняются одновременно для большого количества троек волн, которые связаны друг с другом через общую нарастающую волну. Построена самосогласованная кубически-нелинейная теория множественных взаимодействий нарастающих волн в двухскоростном РЭП. Выяснено, что когда частота первой гармоники намного меньше критической частоты, происходит формирование продольных волн с широким мультигармоническим спектром, в котором высшие гармоники имеют более высокие амплитуды. В кубически-нелинейном приближении проведен анализ влияния взаимодействий продольных волн разного типа на формирование широкого спектра нарастающих волн в двухскоростном РЭП. Выяснено, что параметрический резонанс продольных волн разного типа может оказывать существенное влияние на формирование спектра нарастающих волн: менять форму спектра, в 10 и более раз увеличивать максимальные значения амплитуд.Построена кубически-нелинейная самосогласованная теория мультигармонических двухпотоковых СЛСЭ, которая учитывает множественные трехволновые резонансные взаимодействия гармоник волн. Исследовано влияние множественных трехволновых взаимодействий на динамику основной гармоники для СЛСЭ, работающего в режиме максимального усиления. Показано, что такие взаимодействия могут приводить к уменьшению уровня электромагнитного сигнала в 10 и более раз. Предложено для формирования мощных электромагнитных волн с широким спектром использовать режимы работы двухпотоковых СЛСЭ, в которых частота первой гармоники ВПЗ намного меньше критической частоты двухпотоковой неустойчивости. Проведен амплитудный, фазовый и спектральный анализ процессов, протекающих при формировании ультракоротких электромагнитных кластеров. Выяснены условия, необходимые для формирования ультракоротких кластеров электромагнитного поля. Показано, что двухпотоковые СЛСЭ с энергиями пучков ~ 3,3 МэВ могут формировать ультракороткие электромагнитные кластеры с длительностями ~40 фс. Предложена концепция плазменно-пучкового СЛСЭ, в котором электромагнитная волна усиливается благодаря параметрическому резонансу с пучковой волной пространственного заряда, нарастающей вследствие плазменно-пучковой неустойчивости, и Н-убитронным магнитным полем. Выяснено, что такие устройства могут работать в четырех различных режимах. Два из них позволяют усиливать сигналы с высокой степенью монохроматичности, два другие – формировать сигнал с достаточно широким частотным спектром. Предложено использовать плазменно-пучковые СЛСЭ с Н-убитронной накачкой в качестве мультигармонического ЛСЭ для формирования мощных мультигармонических волн в мм-субмм диапазоне. Показано, что для его реализации достаточно использовать монохроматические системы накачки. Построена кубически-нелинейная самосогласованная теория мультигармонических взаимодействий в таких устройствах. Продемонстрировано, что такие ЛСЭ способны формировать мультигармонические электромагнитные волны суммарной мощности 8 МВт в мм-субмм диапазоне длин волн, используя при этом электронные пучки с энергией 0,5 МэВ и силой тока 100 А. Построена самосогласованная кубически-нелинейная теория параметрически-резонансных взаимодействий электромагнитных волн в плазменно-пучковых СЛСЭ доплертронного типа. Продемонстрировано, что такие СЛСЭ способны генерировать мощные (16 МВт) монохроматические электромагнитные волны в мм-субмм диапазоне длин волн, используя при этом электронные пучки с параметрами: энергия 0,5 МэВ, сила тока 100 А. Построена кубически-нелинейная теория параметрических резонансных взаимодействий в электронно-волновых СЛСЭ с Н-убитронной накачкой. Показано, что эти системы могут работать как высокоэффективные усилители мощности в субмм-ИК диапазоне волн с высоким уровнем монохроматичности. При цитировании документа, используйте ссылку http://essuir.sumdu.edu.ua/handle/123456789/29384

The thesis is devoted to the theoretical research of multiharmonic processes in superheterodyne free electron lasers (SFEL), making formers of powerful electromagnetic waves with a wide frequency spectrum, including, ultrashort clusters on the basis of SFEL. The method of ultrashort clusters electromagnetic field formation and the concept of multiharmonic free electron lasers the main purpose of which consists in formation of intensive electromagnetic waves with a wide spectrum are offered. For formation of powerful multiharmonic electromagnetic waves it is offered to use two-stream SFEL operating modes, in which the frequency of the first harmonic SCW is much less than the critical frequency of two-stream instability. The amplitude, phase, and spectral analysis of the processes of ultrashort electromagnetic clusters formation in the devices constructed on multiharmonic two-stream SFEL is carried out. It is shown, that in two-stream SFEL with beam energy ~ 3.3 MeV formation of ultrashort electromagnetic clusters with duration ~40 fs is possible. The concept of H-ubitron type beam-plasma SFEL that can operate in the modes of powerful multiharmonic waves formation in mm-submm range is offered. It is shown, that for its realization it is enough to use monochromatic pumping systems. The self-consistent cubic-nonlinear theories of parametric-resonant interactions of electromagnetic waves in Doppler type beam-plasma SFEL and electron-wave SFEL are constructed. It is shown, that these systems can work as highly effective amplifiers in mm-submm and submm-IR frequency range, respectively, with high level of monochromaticity. When you are citing the document, use the following link http://essuir.sumdu.edu.ua/handle/123456789/29384