Multiharmonic Interactions of Longitudinal Waves in Amplification Section of Superheterodyne Free Electron Laser

Abstract

У рамках кубічного нелінійного наближення проведено аналіз підсилення мультигармонічної хвилі просторового заряду (ХПЗ) в секції підсилення параметричного супергетеродинного лазера на вільних електронах (ЛВЕ). Підсилення мультигармонічної ХПЗ у досліджуваному пристрої забезпечується трихвильовим параметричним резонансом між швидкою та повільною ХПЗ та поздовжнім періодичним реверсивним електричним полем накачки. Показано, що для підсилення вищих гармонік мультигармонічних ХПЗ достатньо наявності монохроматичного електричного поля накачки. Також з'ясовано що інкременти зростання вищих гармонік ХПЗ не залежать від номера гармоніки і визначаються напруженістю електричного поля накачки та швидкістю електронного пучка. Ця обставина відкриває можливість підсилювати усі вищі гармоніки однаково. Використовуючи комп'ютерне моделювання визначено довжини, на яких можливо підсилювати мультигармонічні ХПЗ з амплітудним спектром без спотворень. У роботі також з'ясовано та досліджено в лінійному наближенні ефект генерації додаткового періодичного реверсивного електричного поля накачки. Це поле генерується електронним пучком та суттєво впливає на процеси у супергетеродинному ЛВЕ. Показано, що таке додаткове електричне поле в умовах досліджуваної системи суттєво підсилює електричне поле накачки (на 33 %) Це призводить до збільшення результуючого електричного поля в системі, а значить і до суттєвого збільшення інкрементів зростання усіх гармонік. Продемонстровано, що завдяки ефекту генерації додаткового електричного поля довжини насичення хвиль просторового заряду зменшуються, що дозволяє зменшити габарити пристрою. Показано, що ефект генерації додаткового електричного поля не руйнує амплітудний спектр ХПЗ у процесі його підсилення вздовж довжини насичення. Запропоновано використовувати досліджувані системи в мультигармонічних параметричних супергетеродинних ЛВЕ для підсилення мультигармонічних сигналів без спотворення їх амплітудних спектрів.

We analyze multiharmonic interactions of space charge waves (SCWs) in the superheterodyne free electron laser (FEL) amplification section in the submillimeter wavelength range within the framework of the cubic nonlinear approximation. Amplification of electromagnetic waves in the studied parametric superheterodyne FEL is provided by a plural three-wave parametric resonance between fast and slow SCWs and a longitudinal periodic reverse pump electric field. We show that the presence of a monochromatic electric pump field is sufficient to amplify higher harmonics of multiharmonic SCWs. Also, we found that the growth increments of higher harmonics of SCWs do not depend on the harmonic number and are determined by the intensity of the pump electric field and the speed of the electron beam. This fact allows to amplify different higher harmonics equally. Using computer simulations, we show that in the studied system it is possible to amplify multiharmonic SCWs without distorting their amplitude spectrum. In the paper we also researched the effect of generating an additional periodic reverse pump electric field in the linear approximation. The electron beam generates this field and significantly affects the processes in the superheterodyne FEL. We show that such an additional electric field under the conditions of the studied system increases the pump electric field significantly (by 33 %). This leads to an increase in the resulting pump electric field in the system and, therefore, to a significant increase in the growth increments of all harmonics. We demonstrate that the saturation length of SCWs decreases because of generating an additional electric field, which allows engineers to reduce the device dimensions. We show that the effect of the generation of an additional electric field does not destroy the SCW's amplitude spectrum in the process of its amplification along the saturation length. Thus, we propose to use the studied systems for multiharmonic parametric superheterodyne FELs to amplify multiharmonic signals without distorting their amplitude spectra.