Формування потужної мультигармонічної електромагнітної хвилі двопотоковим супергетеродинним лазером на вільних електронах клістронного типу з гвинтовим електронним пучком

Abstract

Побудовано самоузгоджену кубічно-нелінійну теорію мультигармонічних двопотокових супергетеродинних лазерів на вільних електронах (ДСЛВЕ) клістронного типу з гвинтовими релятивістськими електронними пучками (РЕП). Досліджено режим роботи, у якому перша гармоніка електромагнітного сигналу багато менша за критичну частоту двопотокової нестійкості. Ураховані множинні трихвильові резонансні взаємодії гармонік хвиль різного типу. Показано, що використання гвинтових пучків у ДСЛВЕ клістронного типу дозволяє одержати потужний мультигармонічний електромагнітний сигнал з більш широким спектром порівняно з ДСЛВЕ, які використовують прямолінійні пучки. З’ясовано, що у ДСЛВЕ із гвинтовими РЕП темпи зростання електромагнітних хвиль є істотно вищими, а довжини насичення меншими порівняно з пристроями, які використовують прямолінійні РЕП. Це дозволяє зменшити поздовжні габарити таких ДСЛВЕ. Продемонстровано перспективність використання ДСЛВЕ клістронного типу із гвинтовими РЕП для формування потужних мультигармонічних електромагнітних хвиль із широким частотним спектром.

We elaborated a self-consistent cubic-nonlinear theory of multiharmonic two-stream superheterodyne free-electron lasers (TSFELs) of klystron type with helical relativistic electron beams (REBs). We investigated the operation mode, in which the first harmonic of electromagnetic signal is much less than the twostream instability critical frequency. We accounted plural three-wave resonant interactions of different wave types. It was demonstrated that application of helical beams in TSFEL klystrons allows achieving a powerful multiharmonic electromagnetic signal with wider frequency spectrum compared with TSFEL based on straight beams. We showed that growth rates of electromagnetic waves in TSFELs with helical beams are substantially higher and the saturation lengths are much shorter. It allows decreasing longitudinal dimensions of TSFELs. We illustrated the application perspective of the klystron type TSFELs with helical REBs in the field of powerful multiharmonic electromagnetic waves with wide frequency spectrum forming.