Исследование лазеров на свободных электронах и лазерного ускорения электронов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.21, кандидат физико-математических наук Артемьев, Александр Игоревич

• Артемьев, Александр Игоревич
• кандидат физико-математических наук
• 2000

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Артемьев, Александр Игоревич

Введение

Актуальность темы.

Цель работы.

Научная новизна.

Защищаемые положения.

Практическая ценность работы

Публикации и апробация работы

Структура и объем диссертации.

Содержание работы.

1. Лазерное ускорение электронов в вакууме в присутствии постоянного поперечного магнитного поля

1.1 Введение

1.2 Математическая постановка задачи и методы ее решения

1.3 Изменение энергии электрона в первом порядке теории возмущений

1.4 Изменение энергии электрона во втором порядке теории возмущений при

7 > 7о.

1.5 Качественная интерпретация ускорения в области высоких энергий, при

7 » То.

1.6 Отсутствие ускорения при низких энергиях, 7 <С 7о.

1.6 Оценки и сопоставление с результатами численного моделирования

1.7 Выводы к главе

2. Лазер на свободных электронах, основанный на эффекте Смита— Пар-селла

2.1 Введение

2.2 Конфигурация поля.

2.3 Уравнения движения и метод их решения.

2.4 Решение уравнений движения в первом порядке теории возмущений

2.5 Решение уравнений движения во втором порядке теории возмущений

2.6 Коэффициент усиления.

2.7 Оценки и обсуждение результатов.

3. Режим глубокой модуляции лазера на свободных электронах на среде с периодически модулированным показателем преломления

3.1 Введение

3.1.1 Механизм усиления.

3.1.2 Постановка задачи и результаты.

3.2 Световое поле в среде с модулированным показателем преломления

3.2.1 Типы модулированных сред.

3.2.2 Модель периодически модулированной среды.

3.2.3 Общие уравнения.

3.2.4 Матричный вид бесконечной системы уравнений для собственных мод электромагнитного поля.

3.2.5 Алгоритм нахождения мод электромагнитного поля при помощи усеченной системы уравнений и критерий применимости использованного алгоритма.

3.2.6 Второй критерий допустимости использования усеченных матричных уравнений.

3.2.7 Структура электромагнитной моды в окрестностях запрещенных зон

3.3 Условия реализации режима глубокой модуляции.

3.3.1 Критерии глубокой и малой модуляции диэлектрической проницаемости среды.

3.3.2 Режим глубокой модуляции газоплазменной среды.

3.3.3 Режим глубокой модуляции среды типа сверхрешетки.

3.4 Взаимодействие электрона со световой волной.

3.4.1 Коэффициент усиления, поле насыщения и эффективность ЛСЭ

3.4.2 Оптимизация параметров ЛСЭ

3.4.2.1 Максимальный коэффициент усиления

3.4.2.2 Поле насыщения

3.4.2.3 Связь между коэффициентом усиления за проход и КПД.

3.4.3 Требования к качеству среды и электронного пучка.

3.5 Численные расчеты.

3.5.1 Газоплазменная среда.

3.5.1.1 Рабочие параметры ЛСЭ при малом периоде модуляции

3.5.1.2 Рабочие параметры ЛСЭ при большом периоде модуляции

3.5.1.3 Функционирование ЛСЭ на газоплазменной среде, при частоте и, близкой к а;ртах, и различных периодах модуляции.

3.5.1.4 Обсуждение результатов для газоплазменных сред.

3.5.2 Сверхрешеточные структуры.

3.5.2.1 Рабочие параметры ЛСЭ при различных частотах.

3.5.2.2 Оптимизация работы ЛСЭ при большом коэффициенте усиления

3.5.2.3 Рабочие параметры ЛСЭ при различных периодах модуляции

3.6 Аналогия между ЛСЭ СПМПП, черенковским ЛСЭ и

ЛСЭ на резонансном переходном излучении

3.7 Результаты главы 3.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование лазеров на свободных электронах и лазерного ускорения электронов»

Диссертация посвящена теоретическому исследованию нового метода ускорения электронов с помощью лазерного излучения, а также поиску оптимальных условий работы двух типов компактных лазеров на свободных электронах (ЛСЭ) — ЛСЭ на среде с периодически модулированным показателем преломления и ЛСЭ на эффекте Смита-Парселла, в котором усиление света происходит при прохождении пучка электронов над дифракционной решеткой. Целью оптимизации было достижение максимального коэффициента усиления лазеров.

Актуальность темы

I. Ускорители электронов находят разнообразные применения и являются незаменимым инструментом физических исследований. Используемые в настоящее время ускорители имеют большие размеры (от нескольких метров до десятков километров) и стоимость. Одна из причин заключается в том, что ускоряющее поле не превосходит нескольких десятков или сотен киловольт на сантиметр. Многими исследователями изучаются альтернативные подходы к ускорению электронов, связанные с использованием лазерного излучения высокой интенсивности. Ожидается, что лазерные ускорители электронов будут более компактными и дешевыми по сравнению с существующими в настоящее время, что расширит область применения этих устройств. Предложенные к настоящему времени методы лазерного ускорения электронов можно разбить на группы, в зависимости от того, происходит ли ускорение электронов: • в среде (в плазме, в жидкости или газе): о ускоритель на плазменной волне биений [1 - 8]; о ускорители на кильватерной волне в плазме (plasma wakefield accelerator , laser wakefield accelerator) [9-17]; о ускоритель на обратном эффекте Вавилова-Черенкова [18, 19];

• вблизи границы двух сред (в волноводе, вблизи дифракционной решетки, вблизи плоской поверхности или световода): о ускорители на медленной электромагнитной волне [20];

• в вакууме: о обратный лазер на свободных электронах [21-28]; о обратный комптоновский лазер и ускоритель на сфокусированной ТЕ или ТМ-волне [29-38]; о авторезонансный лазерный ускоритель [39-51]; о нерезонансный ускоритель с постоянным магнитным полем [52-61].

Ускорение электронов в вакууме перспективно для использования лазерного излучения высокой интенсивности: оно не предполагает использования среды, свойства которой меняются под действием интенсивного излучения.

Опишем принцип работы и возможности перечисленных схем лазерного ускорения электронов.

1. Ускоритель на плазменной волне биений использует электрическое поле продольной плазменной волны, которая возбуждается при кол-линеарном распространении в плазме двух волн с близкими частотами |wi - ш21 <С Wi} 2 [1-8].

Экспериментально реализовано возбуждение плазменной волны биений излучением импульсного СО2 лазера либо излучением Nd лазера. Плазменная волна, созданная с помощью Nd лазера, позволила достичь скорости набора энергии электронов 7-12МэВ/см при начальной энергии электронов Eq = 3.3 МэВ [7, 8]. Энергии электронов после ускорения составляла Е\ = 4.7 МэВ, а длина области ускорения была близка к 1 мм.

Среди факторов, затрудняющих использование плазменной волны биений для ускорения, следует отметить жесткие требования к однородности плазмы и небольшую длину насыщения. Кроме того, использованию интенсивного излучения препятствует пондеромоторный потенциал лазерной волны, который выталкивает электроны плазмы из фокальной области.

2. Ускоритель на кильватерной волне в плазме (plasma wake field accelerator, laser wake field accelerator) использует продольные электрические поля, порождаемые колебаниями электронной плотности плазмы при прохождении через нее короткого импульса лазерного излучения или сгустка заряженных частиц [9-17].

При использовании этого метода скорость набора энергии составляет 0.25-0.65 МэВ/см, а длина области, в пределах которой происходит ускорение, достигает 10-100 см [17]. Возможность поддержания ускорения на столь протяженном участке выгодно отличает данный метод от других. К недостаткам ускорителя на кильватерной волне следует отнести меньшую, по сравнению с ускорителем на волне биений, величину ускоряющего поля.

3. Ускоритель на обратном эффекте Вавилова—Черенкова использует среду с показателем преломления п > 1 для замедления фазовой скорости электромагнитной волны, что делает возможным ее резонансное взаимодействие с пучком электронов [18, 19].

Экспериментально реализован ускоритель, основанный на эффекте Ва-вилова-Черенкова, который позволил ускорить электроны на 3.7 МэВ при начальной энергии в 40 МэВ и длине ускорения 12 см. Скорость набора энергии составила 0.3 МэВ/см [18, 19]. •

Эффект Вавилова-Черенкова затруднительно использовать для создания ускорителей с большим темпом набора энергии из-за оптического пробоя среды интенсивным полем лазерного излучения.

4. Ускоритель на медленной электромагнитной волне использует среду с показателем преломления п > 1 или замедляющую структуру для создания электромагнитной волны с фазовой скоростью V < с. Такой структурой может быть, например, волновод с профилированными стенками [20], граница раздела сред с различными показателями преломления или дифракционная решетка.

К недостаткам таких систем можно отнести невозможность использования лазерных полей высокой интенсивности из-за пробоя и оптического разрушения замедляющей структуры.

5. Обратный лазер на свободных электронах основан на вынужденном поглощении излучения при прохождении пучка электронов через ондулятор (устройство, вызывающее осцилляции электронов) [21-28].

Создан обратный лазер на свободных электронах [27, 28], на котором зарегистрировано увеличение энергии электронов с 49 МэВ до 88 МэВ при использовании импульсов излучения СОг-лазера. Скорость набора энергии составила 1 МэВ/см. Использовался ондулятор длиной 0.47 м. Напряженность электрического поля лазерного излучения составляла 1.36 • 108 В/см.

Преимуществом обратного лазера на свободных электронах является отсутствие необходимой для взаимодействия среды, что позволяет использовать интенсивное лазерное излучение. Трудности в создании таких лазеров обусловлены большими размерами установки, эффектами насыщения, ограничивающими длину области ускорения, резонансным характером ускорения и, как следствие, чувствительностью приращения энергии электронов к их начальной энергии.

6. Обратный комптоновский лазер ускоряет электроны в вакууме при их прохождении через область пересечения двух лазерных пучков [29 -35] или через фокальную область лазерного пучка [36-38]. В последнем случае продольная компонента электрического поля сфокусированного лазерного излучения ускоряет электроны. Эффективность обратного компто-новского лазера ограничена в силу небольшого размера области взаимодействия и эффектов насыщения [35]. Для достижения большого приращения энергии предлагалось осуществлять многоступенчатый процесс ускорения при прохождении пучка электронов через последовательно расположенные фокальные области.

7. Авторезонансный лазерный ускоритель осуществляет ускорение электронов, движущихся в постоянном магнитном поле, параллельном волновому вектору циркулярно поляризованной электромагнитной волны [39-51]. Для ускорения электронов ларморовская частота = еЩ/тс7 их вращения в магнитном поле Щ должна совпадать с частотой осцилля-ций поля лазерного излучения на релятивистской траектории электронов. Ускорение осуществляется либо в вакууме [39-45], либо в плазме [46-51].

Описан ускоритель [45], основанный на циклотронном резонансе, который позволяет ускорять электроны с начальной энергией 250 кэВ до энергии 1.1 МэВ при длине ускорителя 112 см. Это соответствует скорости набора энергии 0.01 МэВ/см. Для ускорения используются дециметровые волны с частотой 2.856 ГГц и мощностью 21 МВт.

8. Нерезонансный ускоритель электронов в вакууме в присутствии постоянного магнитного поля, который исследован в диссертации, позволит обеспечить высокую скорость набора энергии на коротком промежутке [52-60]. При поперечном направлении постоянного магнитного поля ускорение происходит в квазистационарных скрещенных электрическом и магнитном полях в течение времени одной осцилляции поля лазерного излучения на искривленной траектории релятивистского электрона.

Средняя энергия электронов удваивается при их однократном прохождении через фокальную область. Скорость набора энергии составляет ЮОМэВ/см при использовании излучения СОг-лазера с интенсивностью 1016 Вт/см2 и 2ГэВ/см при использовании излучения КгР-лазера с интенсивностью 1019 Вт/см2.

Взаимодействие осуществляется в вакууме, поэтому не возникает ограничений на амплитуду лазерного излучения. При превышении пороговой энергии зависимость приращения энергии электронов от их начальной энергии является плавной, что создает принципиальную возможность многократного повторения процесса ускорения при использовании цуга импульсов, фокусируемых в последовательно расположенные фокальные области.

В литературе описаны родственные ускорители, использующие среды с показателем преломления п > 1. В этом случае возможен захват частицы волной и ускорение ее силой Лоренца вдоль волнового фронта лазерной волны [61]. Такой ускоритель также является модификацией обратного Че-ренковского ЛСЭ.

Изучение работ, посвященных лазерным ускорителям электронов, позволяет сформулировать несколько актуальных задач в этой области:

• разработка метода лазерного ускорения заряженных частиц, позволяющего использовать интенсивные поля излучения лазера, вплоть до релятивистских интенсивностей излучения;

• обеспечение ускорения электронов интенсивным лазерным излучением в области, достаточно длинной для многократного увеличения энергии частиц.

Эффективное ускорение электронов при их однократном прохождении через фокальную область достигается в схеме лазерного ускорения в присутствии постоянного магнитного поля. Эта схема изучается в первой главе диссертации.

II. Лазеры на свободных электронах (ЛСЭ) отличаются от других лазеров уникальными возможностями перестройки частоты излучения. Они особенно привлекательны для использования в тех диапазонах частот, где затруднено создание других типов лазеров — в дальнем ИК (длина волны свыше ЗОмкм), УФ и мягком рентгеновском диапазонах. Использование ЛСЭ ограничено в силу их высокой стоимости и больших размеров, составляющих десятки метров. Поэтому усилия многих научных групп направлены на создание компактных и дешевых ЛСЭ. Необходимой частью этих исследований является поиск компактных схем передачи энергии от пучка электронов к лазерному излучению. Предложены различные схемы компактных лазеров на свободных электронах:

• ЛСЭ на вынужденном излучении Вавилова-Черенкова [62-71];

• ЛСЭ на эффекте Смита-Парселла [72-92] (ЛСЭ СП), т.е. на эффекте излучения света электронами, проходящими над дифракционной решеткой [93];

• ЛСЭ на объемной дифракционной решетке [95, 96];

• ЛСЭ на вынужденном переходном излучении электронов, проходящих через среду с пространственно модулированным показателем преломления: о ЛСЭ на сверхрешетке [97-118]; о ЛСЭ на модуляции показателя преломления плазмы [115-118];

• ЛСЭ на плазменном ондуляторе: о ЛСЭ, в котором осцилляции электронов происходят в ионном канале в плазме [120-126], в том числе, ЛСЭ на модуляции профиля ионного канала [125-126]; о ЛСЭ, на ионной акустической волне в плазме [119]; о ЛСЭ на ионном канале в плазме [120-126] (включая ЛСЭ с модулированным профилем ионного канала [125-126]); о ЛСЭ на кильватерной волне в плазме [127]; о ЛСЭ на ленгмюровской волне в плазме [128-130]; о ЛСЭ на поперечной электромагнитной волне в плазме [131];

• оптический клистрон, состоящий из двух ондуляторов с областью фазового перераспределения электронов между ними [132, 133].

Во второй и третьей главах диссертации представлены результаты исследований двух типов лазеров на свободных электронах: ЛСЭ на эффекте Смита-Парселла и ЛСЭ на среде с пространственно модулированным показателем преломления.

1. ЛСЭ на эффекте Смита-Парселла осуществляет усиление излучения, падающего на дифракционную решетку, над которой направляют пучок электронов.

ЛСЭ СП реализованы в СВЧ- и в ИК-диапазонах частот [72, 73]. В ИК-области осуществлена генерация излучения в диапазоне 300 - 900 мкм при мощности излучения порядка 10 нановатт [73].

К преимуществам ЛСЭ СП можно отнести:

• малый период дифракционной решетки, что позволяет осуществлять генерацию коротковолнового излучения с использованием низкоэнерге-тичных пучков электронов;

• отсутствие среды, вызывающей рассеяние электронов.

Коэффициент усиления ЛСЭ СП ограничен из-за эффектов насыщения и из-за того, что электронный пучок должен распространяться вблизи дифракционной решетки. Различными исследователями предприняты усилия для поиска условий, при которых коэффициент усиления ЛСЭ СП максимален. С этой целью изучались альтернативные механизмы генерации излучения в ЛСЭ СП, связанные с дифракцией излучения на регулярных неоднородностях плотности электронного пучка [79] и дифракцией электронов на кристаллическом материале решетки [80]. Были подробно изучены условия усиления в волноводе [88], оптимизированы профиль дифракционной решетки [89] и направление распространения усиливаемой волны [92].

В теории ЛСЭ СП с релятивистским пучком электронов имеются пробелы. Многие авторы не учитывают влияния магнитного поля и поперечной составляющей электрического поля усиливаемой волны на динамику электронов. Корректное описание динамики электронного пучка, представленное в диссертации и в работе [92], необходимо для детального понимания условий ускорения при использовании релятивистских электронов.

Имеется ряд нерешенных вопросов, важных для создания и совершенствования ЛСЭ СП:

• повышение мощности, ограниченной из-за малой, порядка нескольких длин волн, ширины электронного пучка;

• поиск условий, при которых коэффициент усиления за проход компактного ЛСЭ СП достигает единицы в ИК-, оптическом и УФ-диапазонах частот;

• расчет коэффициента усиления ЛСЭ СП на релятивистском электронном пучке с учетом влияния на динамику пучка магнитного поля и поперечной составляющей электрического поля лазерной волны.

Решению последних двух задач посвящена вторая глава диссертации.

2. ЛСЭ на среде с пространственно модулированным показателем преломления основан на взаимодействии пучка электронов со световой волной внутри объемной дифракционной решетки, роль которой играет модулированная среда. В качестве модулированной среды может выступать либо твердотельная пространственно-периодическая структура, состоящая из слоев материалов с различными показателями преломления [97-118], либо плазма [116-131]. По сравнению с ЛСЭ СП, такой лазер обладает преимуществом в мощности. Оно обусловлено отсутствием принципиальных ограничений на поперечные размеры электронного пучка.

В качестве прототипа ЛСЭ на сверхрешетке [97-118] можно рассматривать реализованный лазер на вынужденном переходном излучении электронного пучка, проходящего через кристаллическую пластину [97]. В этом эксперименте наблюдалось дополнительное усиление вынужденного переходного излучения в результате интерференции волн, образовавшихся на переднем и заднем краях пластины.

Созданию ЛСЭ на среде с периодически модулированным показателем преломления препятствуют технические и физические трудности. Принципиально важна возможность преодоления этих трудностей, которая обуславливает осуществимость компактных ЛСЭ. Хотя целью диссертации не является исследование соответствующих ограничений, опишем некоторые препятствия к созданию компактных ЛСЭ и подходы к преодолению. Трудности в создании ЛСЭ на среде с пространственно модулированным показа-етлем преломления связаны с рассеянием электронного пучка в среде [134137], разрушением модуляции среды под воздействием электронного пучка, поглощением и рассеянием усиливаемого излучения в среде, на ее границах и зеркалах, со сложностью созданием газоплазменных сред с периодически модулированным показателем преломления. Рассеяние электронов в среде обуславливает необходимость использования релятивистских электронных пучков, что ограничивает возможности для перестройки частоты излучения ЛСЭ. Образование плазмы при столкновительной ионизации атомов среды электронным пучком оказывает влияние на распространение электронного пучка, изменяет фазовые скорости электромагнитных волн, и со-провождатся возбуждением различных плазменных колебаний в среде.

Эти проблемы имеют свои решения [98-110], [138-147]. В работах [103110] были изучены условия, при которых рассеяние электронного пучка, проходящего через твердотельную пространственно-периодическую структуру, не оказывает существенного влияния на спектр излучаемого света. Было показано, что для уменьшения рассеяния в сверхрешетке необходимо использовать электронные пучки с большой энергией, 7 1. Поэтому парциальные плоские волны с низкой фазовой скоростью, соответствующей 7 ~ 1, не могут быть эффективно использованы для обмена энергией с электронами.

Влияние плазмы, образующейся при прохождении через газ электронного пучка, на работу ЛСЭ обсуждается в работах [138-147]. Было показано [143, 144], что неконтролируемое возникновение плазмы в ЛСЭ с ондулятором, заполненным водородом, может быть уменьшено добавлением к водороду специальных присадок — газов, имеющих высокое сродство к электронам. Это позволило использовать для работы в заполненном газом ЛСЭ пучок электронов с энергией 36 МэВ при давлении газа до 200 Topp, а в последующих экспериментах — до 950 Topp. В экспериментах [143, 144] длина ондулятора составляла приблизительно 1 м. При этом не было обнаружено эффектов, связанных с влиянием плазмы, образованной при прохождении пучка в газе, на динамику самого электронного пучка.

Основное внимание в диссертации сконцентрировано на описании нелинейной динамики электронов в ЛСЭ под действием усиливаемой волны. Анализ нелинейной динамики необходим для определения теоретического максимального коэффициента усиления, соответствующего ему поля насыщения, эффективности и других параметров ЛСЭ. Особый интерес представляет теоретический анализ ЛСЭ на периодически модулированной среде в режиме глубокой модуляции показателя преломления. Такой режим перспективен для повышения коэффициента усиления ЛСЭ, для расширения возможностей перестройки частоты генерации ЛСЭ и для повышения времени существования модуляции в среде.

Таким образом, актуальность исследований, представленных в диссертации, обусловлена:

• необходимостью оптимизации геометрической конфигурации ЛСЭ на эффекте Смита-Парселла с целью нахождения максимального коэффициента усиления при наклонном падении лазерного излучения на дифракционную решетку;

• необходимостью развития теории ЛСЭ на эффекте Смита-Парселла, учитывающей релятивистскую динамику электронного пучка в поперечном электромагнитном поле лазерной волны;

• перспективностью использования режима глубокой модуляции показателя преломления в ЛСЭ для поддержания высокого коэффициента усиления при перестройке частоты в широком диапазоне; • необходимостью создания метода лазерного ускорения электронов, позволяющего использовать лазерное излучение высокой интенсивности.

Цель работы

Целью работы является теоретический анализ и оптимизация условий работы компактного лазерного ускорителя электронов и компактных лазеров на свободных электронах.

Научная новизна

1. Предложен и обоснован метод ускорения релятивистских электронов в вакууме полем лазерного излучения в присутствии поперечного однородного магнитного поля.

Установлен физический механизм набора энергии при прохождении пучка электронов через лазерный фокус. Найдена зависимость прироста средней энергии электронов пучка от интенсивности, длины волны и размеров фокальной области лазерного излучения, от напряженности магнитного поля и от начальной энергии электронов.

2. Найден коэффициент усиления лазера на свободных электронах, основанного на эффекте Смита-Парселла в схеме с наклонным падением усиливаемой волны на дифракционную решетку. Проведена оптимизация коэффициента усиления по периоду решетки и углу падения усиливаемого излучения на дифракционную решетку.

3. Исследован режим глубокой модуляции в лазерах на свободных электронах, основанных на средах с периодически модулированным в пространстве показателем преломления (газоплазменной среде с периодически изменяющейся степенью ионизации или среде типа сверхрешетки). Сформулирован критерий и найдены условия реализации режима глубокой модуляции показателя преломления. Рассчитаны коэффициент усиления за проход, поле насыщения и эффективность указанных схем лазеров. Показана перспективность режима глубокой модуляции показателя преломления для создания лазеров на свободных электронов.

Защищаемые положения

1. Возможно эффективное ускорение релятивистского пучка электронов при взаимодействии с неоднородным полем сфокусированного лазерного излучения в присутствии поперечного постоянного магнитного поля.

2. В лазере на свободных электронах на эффекте Смита-Парселла коэффициент усиления за проход в ИК-диапазоне частот может быть увеличен путем выбора оптимального периода дифракционной решетки и оптимального угла падения излучения на решетку.

3. Слоистая газоплазменная среда и слоистая среда типа сверхрешетки в условиях глубокой модуляции показателя преломления перспективны для создания компактных лазеров на свободных электронах, работающих в ИК, видимом и УФ-диапазонах частот.

Практическая ценность работы

1. Предлагаемый метод лазерного ускорителя электронов может быть использован для создания компактного лазерного ускорителя, рассчитанного на энергии в несколько десятков или сотни МэВ.

2. Результаты, полученные при анализе работы компактных лазеров на свободных электронах, показали пути увеличения коэффициента усиления и расширения спектрального диапазона перестройки ЛСЭ. Полученные результаты свидетельствуют, что компактные ЛСЭ на эффекте Смита-Парселла и ЛСЭ на среде с периодически модулированным показателем преломления могут работать в ИК-, видимом и ближнем УФ- диапазонах длин волн при плотности тока электронного пучка ] = 5 — 50 А/см2 и релятивистском факторе электронов 7 ~ 2.5 — 30. Определены требования к качеству электронного пучка. Полученные результаты могут послужить основой для инженерных расчетов при создании таких лазеров.

Публикации и апробация работы

Результаты диссертации изложены в 8 статьях, опубликованных в отечественных и зарубежных журналах. По материалам диссертации сделаны доклады на 7 научных конференциях (см стр. 132). Результаты диссертации обсуждались на семинаре по многофотонным процессам, руководитель Н.Б. Делоне и на семинаре отдела колебаний ИОФ РАН.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка цитируе

Заключение диссертации по теме «Лазерная физика», Артемьев, Александр Игоревич

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ

1. Предложена и обоснована схема ускорения пучка релятивистских электронов при его прохождении через фокус излучения в присутствии поперечного постоянного магнитного поля.

Показано, что механизмом ускорения электронов в такой схеме является взаимодействие со скрещенными квазистационарными неодинаковыми по величине электрическим и магнитным полями. Показано, что набор энергии происходит в течение одной осцилляции лазерного поля на траектории электрона вблизи точки, где скорость электрона на круговой орбите в постоянном магнитном поле параллельна оси лазерного фокуса.

Показано, в частности, что средняя энергия пучка электронов удваивается после прохождения через фокус при интенсивности излучения СО2 лазера I = 1016 Вт/см2, длине и ширине фокуса Ь = 4мм и 6, — 0.2 мм, напряженности постоянного магнитного поля Но = 5 кГс и начальной энергии электронов £о = 10 МэВ.

2. Найден коэффициент усиления в лазере на свободных электронах, основанном на эффекте Смита-Парселла в схеме с наклонным падением усиливаемой волны на поверхность дифракционной решетки.

При заданных начальной энергии и ширине энергетического распределения пучка электронов, коэффициент усиления оптимизирован по периоду решетки и углу падения лазерного излучения на решетку. Показано, в частности, что в ИК-диапазоне при длине волны А = 12мкм коэффициент усиления за проход может достигать величины, достаточной для создания лазера (С = 12%), при плотности тока пучка ] = 50 А/см2, энергии электронов Ео = 2 МэВ, длине решетки Ь = 10 см, периоде решетки Ао = 0.025 см, угле фокусировки излучения 50 ~ (А/1/)1/2 = 0.1 рад и угле падения #~7г/2 — 50 ~ 1.47 рад.

120

3. Рассчитаны коэффициент усиления, поле насыщения и эффективность лазеров на свободных электронах, основанных на средах с периодически модулированным в пространстве показателем преломления (газоплазменной среды с периодически изменяющейся степенью ионизации или среды типа сверхрешетки), в условиях глубокой модуляции показателя преломления.

При заданных частоте поля, периоде и глубине модуляции коэффициент усиления оптимизирован по энергии электронов, что эквивалентно оптимальному выбору резонансной пространственной Фурье-компоненты поля.

Определены условия, при которых коэффициент усиления за проход достигает величины порядка единицы:

• в схеме с газоплазменной средой в ИК-диапазоне при частоте излучения ш ~ ^ртах ~ 3 • 1014с-1, где сь>ртах —- плазменная частота в области максимальной ионизации среды, при плотности тока пучка ] = 50 А/см2, энергии электронов £о — 2 ч- 3.5 МэВ и длине среды Ь = 10см;

• в схеме со сверхрешеткой в видимом и УФ-диапазонах, при частоте ш = 2-1015с-1 -Ь 1016с-1, плотности тока пучка 3 — 10 А/см2, энергии электронов €0 = 1.2 МэВ и длине сверхрешетки Ь = 0.5 см.

Показано, что по сравнению с режимом слабой модуляции показателя преломления, режим глубокой модуляции позволяет:

• в схеме с газоплазменной средой увеличить период модуляции, что повышает время существования модуляции;

• в схеме со сверхрешеткой обеспечить возможность усиления в широкой области частот, от видимого до ближнего УФ-диапазона.

Заключение

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Артемьев, Александр Игоревич, 2000 год

1. Т. Tajima, J.M. Dawson — "An Electron Accelerator Using a Laser", IEEE Trans. Nucl. Sci., Vol. NS-26, p. 4188 (1979);

2. T. Tajima, J.M. Dawson — "Laser Electron Accelerator" — Phys. Rev. Lett., Vol. 43, p. 267 (1979);

3. A.M. Sessler — "Frontiers of Particle Beam Physics", Physics of Fluids В Plasma Physics, Vol. 2, N 6, pp. 1325-1330 (1990);

4. K. Nakajima, "Laser Accelerator Developments for Future High-Energy Accelerators", Nucl. Instr. &; Meth. Phys. Res. Section A Acceler. Spectr. Det. and Assoc. Equipm., Vol. 410, N 3, pp. 514-519 (1998);

5. C.E. Clayton, C. Joshi, C. Darrow, D. Umstudler — "Relativistic plasma-wave excitation by collinear optical mixing", Phys. Rev. Lett., Vol. 54, pp. 2343-2346 (1985);

6. C.E. Clayton, C. Joshi, C. Darrow, and D. Umstadter, — "Relativistic Plasma Wave Excitation by Collinear Optical Mixing", Phys. Rev. Lett., Vol. 54, p. 2343 (1985).

7. F. Amiranoff, D. Bernard, B. Cros, F. Jacquet, G. Matthieussent, P. Mine, P. Mora, J. Morillo, F. Moulin, A.E. Specka, and C. Stenz — "Electron acceleration in Nd-laser plasma beat-wave experiments", Physica Scripta, Vol. 63, p. 126 (1996);

8. Cern Intranet Pages http://wwwsearch.cern.ch:8765/ http://www.cern.ch/accelconf/p95/ARTICLES/WAG/WAG07.PDF

9. E. Esarey, B. Hafizi, R. Hubbard, A. Ting — "Trapping and Acceleration in Self-Modulated Laser Wakefields", Physical Review Letters, Vol. 80, N 25, pp. 5552-5555 (1998);

10. Г.А.Аекарьян — "Ускорение заряженных частиц ульракоротким световым импульсом, создающим фронт пространственного заряда на оси в канале среды", Письма в ЖЭТФ, Том 52, N 6, стр. 943-945 (1990);

11. Т. Katsouleas, J.M. Dawson — "Unlimited Electron Acceleration in Laser-Driven Plasma Waves", Phys. Rev. Lett., Vol. 51, N 5, pp. 392-395 (1983);

12. K. Shimoda, — "Proposal for an Electron Accelerator Using an Optical Maser", Applied Optics 1, N 1, pp. 33-36 (1962);

13. G. A. Nagorsky — "Laser Acceleration of Particles Using Resonance Transition Radiation", Nucl. Instr. & Meth. Phys. Res. Section A Acceler. Spectr. Det. and Assoc. Equipm., Vol. 248, pp. 31-38 (1986);

14. M. Laberge, J. Meyer — "Electron Acceleration in a Plasma-Wave Above a Laser-Irradiated Grating", Physics of Fluids В Plasma Physics, Vol. 4, N 7, pp. 1972-1978 (1992);

15. K. Nakajima, "Plasma-Wave Resonator for Particle-Beam Acceleration", Phys. Rev. A, Vol. 45, N 2, pp. 1149-1156 (1992);

16. C.E. Clayton, K.A. Marsh, A. Dyson, M. Everett, A. Lai, W.P. Leemans, R. Williams, C. Joshi — "Ultrahigh-Gradient Acceleration of Injected Electrons by Laser-Excited Relativistic Electron-Plasma Waves", Phys. Rev. Lett., Vol. 70, N 1, pp. 37-40 (1993);

17. N. Barov, J. В. Rosenzweig, M. E. Conde, W. Gai, and J. G. Power — "Observation of plasma wake field acceleration in the underdense regime", Phys. Rev. ST Accel. Beams, Vol. 3, paper N 011301 (2000);

18. Brookhaven National Laboratory, Accelerator Test Facility Report, —■ "Inverse Cerenkov Accelerator Experiment (ICAE)",http://www.nsls.bnl.gov/AccTest/experiments/ica/icahome.html

19. A.V. Smirnov — "Far-Field Acceleration Scheme", Cern Intranet Pages http://wwwsearch.cern.ch:8765/ http://www.cern.ch/accelconf/e98/PAPERS/MOP17G.PDF

20. А.А. Варфоломеев, Ю.Ю. Лачин, — "Ускорение ультрарелятивистских электронов лазерной волной в поле ондулятора", ЖТФ, Том 56, N 11, стр. 2122-2131 (1986);

21. А.А. Varfolomeev, Yu.Yu. Lachin — "Noncollinear FEL and Inverse FEL Schemes", Nucl. Instr. & Meth. Phys. Res. Section A Acceler. Spectr. Det. and Assoc. Equipm., Vol. 296, N 1-3, pp. 411-416 (1990);

22. А.А. Варфоломеев — "Ускорение частиц лазерным полем в периодическом резонаторе", ЖТФ, Том. 60, N 6, стр. 97-102 (1990);

23. T.C. Marshall, A. Bhattacharjee, S.Y. Cai, Y.P. Chou, I. Wernick "Inverse FEL Accelerator - Experiment and Theory", Nucl. Instr. & Meth. Phys. Res. Section A -Acceler. Spectr. Det. and Assoc. Equipm., Vol. 304, N 1-3, pp. 683-686 (1991);

24. B.B. Тихомиров, А.А. Хрущинский, — 'Трехмерное моделирование лазерного ускорения в обращенном лазере на свободных электронах", ЖТФ, Том 61, N 6, стр. 147154 (1991);

25. Brookhaven National Laboratory, Accelerator Test Facility Report, — "Inverse FEL Experiment",http: //www. nsls .bnl. go v / AccTest/experiments/ifel/ifel. html

26. A. van Steenbergen, J. Gallardo, J. Sandweiss, J.-M. Fang, M. Babzien, X. Qiu, J. Skaritka and X.J. Wang, — "Observation of Energy Gain at the BNL Inverse Free-electron-Laser Accelerator", Phys. Rev. Lett., Vol. 77, p. 2690 (1996);

27. V.V. Apollonov, Yu.I. Kalachev, A.M. Prokhorov, M.V. Fedorov — "Inverse Noncollinear Compton Laser As a Device for Acceleration of Electrons", Applied Physics Letters, Vol. 49, N 24, pp. 1668-1669 (1986);

28. V.V. Apollonov, M.V. Fedorov, Yu.L. Kalachev, A.M. Prokhorov, "Electron Acceleration in Stimulated Compton-Scattering", JETP Letters, Vol. 44, N 2, pp. 75-77 (1986);

29. L. Feng, Y.K. Ho — "Laser-Induced Electron Acceleration in a Counterpropagating RF Field", Physical Review E, Vol. 47, N 4, pp. R2277-R2280 (1993);

30. S. Takeuchi, R Sugihara — "Proposal for Electron Acceleration by 2 Collinear, Overlapping Laser-Beams", Physical Review E, Vol. 58, N 6, pp. 7874-7877 (1998);

31. S. Takeuchi, R Sugihara — "Electron Acceleration by Single and Double Laser-Beams", Nucl. Instr. & Meth. Phys. Res. Section A Acceler. Spectr. Det. and Xssoc. Equipm., Vol. 410, N 3, pp. 505-508 (1998);

32. A. Ts. Amatuni, I. V. Pogorelsky, "Nonlinear Compton scattering and electron acceleration in interfering laser beams", Phys. Rev. ST Accel. Beams, Vol. 1, paper N 034001 (1998);

33. S. Takeuchi, M. Matsumoto, K. Sakai, R. Sugihara "A TE-Mode Accelerator", IEEE Transaction on Plasma Sci., Vol. 15, N 2, pp. 251-255 (1987);

34. F. Caspers, E. Jensen — "Particle acceleration with the axial electric field of a TEM 10 mode laser beam", CERN report /PS 89-69 (RF/OP) December 19, (1989);

35. E.J. Bochove, G.T. Moore, M.O. Scully — "Acceleration of Particles by an Asymmetric Hermite-Gaussian Laser Beam", Physical Review A, Vol. 46, N 10, pp. 6640-6653 (1992);

36. A. Loeb, L. Friedland — "Autoresonance laser accelerator" Phys. Rev. A, Vol. 33, pp. 1828-1835 (1986);

37. A. Loeb, S. Eliezer, L. Friedland — "Autoresonance Laser Acceleration of Guided Quasineutral Electron-Positron Beams", Physical Review A, Vol. 35, N 4, pp. 16921696 (1987);

38. C.P. Chen — "Theory of Electron-Cyclotron-Resonance Laser Accelerators", Physical Review A, Vol. 46, N 10, pp. 6654-6661 (1992);

39. A. Loeb, S. Eliezer, L. Friedland — "Autoresonance Laser Acceleration of Guided Quasineutral Electron-Positron Beams", Physical Review A, Vol. 35, N 4, pp. 16921696 (1987);

40. A. Loeb, L. Friedland — "The Nonlinear Dynamics of Dense Electron-Beams in the Autoresonance Laser Accelerator", Physics Letters A, Vol. 129, N 5-6, pp. 329-332 (1988);

41. R.Paktera, I.L.Caldasa, F.Coutob, T.S. Caetanob, F.B.Rizzato — "Space-Charge Effects in the Cyclotron-resonance Laser Accelerator",http: //www.cern.ch/accelconf/e96/PAPERS/TUPG/TUP057G .PDF

42. J. L. Hirshfield, Changbiao Wang "Cyclotron Autoresonance Accelerator for Electron Beam Dry Scrubbing of Flue Gases", http://www.triumf.ca/pac97/papers/pdf/8P109.PDF

43. Wernick, Iddo, T.C. Marshall — "An Inverse FEL Autoaccelerator Experiment", Nucl. Instr. & Meth. Phys. Res. A, Vol. 318, p. 754 (1992);

44. A. Loeb, S. Eliezer — "Free-Electron Laser and Laser Electron Acceleration Based on the Megagauss Magnetic-Fields in Laser-Produced Plasmas", Phys. Rev. Lett., Vol. 56, N. 21, pp. 2252-2255 (1986);

45. A. Loeb, S. Eliezer, L. Friedland — "Acceleration of Electron-Positron Plasmas to High-Energies", IEEE Transaction on Plasma Sci., Vol. 15, N 2, pp. 238-242 (1987);

46. S. Takeuchi, M. Matsumoto, K. Sakai, R. Sugihara — "Unlimited Acceleration of a Charged-Particle by an Electromagnetic-Wave with a Purely Transverse Electric Field", Physics Letters A, Vol. 122, N 5, pp. 257-261 (1987);

47. K. Sakai, S. Takeuchi, M. Matsumoto — "Relativistic Theory of Particle-Acceleration by an Obliquely Propagating Electrostatic Wave in a Static Magnetic-Field", Journal of the Physical Society of Japan, Vol. 61, N 7, pp. 2287-2293 (1992);

48. A.A. Chernikov, G. Schmidt, A.I. Neishtadt — "Unlimited Particle-Acceleration by Waves in a Magnetic-Field", Physical Review Letters, Vol. 68, N 10, pp. 1507-1510 (1992);

49. B.B. Аполлонов, А.И. Артемьев, Ю.Л. Калачев, A.M. Прохоров, М.В. Федоров — "Ускорение электронов в сильном лазерном поле и постоянном поперечном магнитном поле", Письма в Журнал Экспериментальной и Теоретической Физики, т. 47, N 2, стр. 77-79 (1988);

50. S. Kawata, A.Manabe, S.Takeuchi — "High-Energy Electron Production by an Electromagnetic-Wave with a Static Magnetic-Field", Japanese Journal of Applied Physics, Part 2, Letters, Vol. 28, N 4, pp. L704-L706, (1989);

51. S. Takeuchi — "Cross-Field Acceleration by Elliptically Polarized Electromagnetic-Wave", Journal of the Physical Society of Japan, Vol. 58, N 5, pp. 1604-1610 (1989);

52. V.V. Apollonov, M.V. Fedorov, A.G. Suzdaltsev — "Acceleration of Electrons by Focused Laser Radiation Combined with a Static Homogeneous Magnetic Field — the Search for the Optimum Geometry", Laser Physics, Vol.1, N 6, pp. 662-669 (1991).

53. A. Gover, A. Jariv, P. Yeh — "Prospectives of Free Electron Lasers", Optics Communications, Vol. 18, N 2, pp. 221-222 (1976);

54. W. Becker, J.K. Mclver — "Quantum Theory of Stimulated Cherenkov Radiation", Phys. Rev. A, Vol. 25, N 2, pp. 956-963 (1982);

55. W. Becker, J.K. Mclver — "Classical theory of stimultated Cherenkov radiation", Phys. Rev. A, Vol. 31, N 2, pp. 783-789 (1985);

56. K.F. Casey, C. Yetch — "Transition radiation in a periodically stratified plasma" — Phys. Rev. A, Vol. 2, pp. 810-818 (1970);

57. K.F. Casey, C. Yetch, K. Kaprielian — "Cerenkov radiation in inhomogeneous periodic media" Phys. Rev. B, Vol. 140, pp. 768-775 (1965);

58. C. Elachi — "Cerenkov and transition radiation in space-tirne periodic media," Journ. Appl. Phys., Vol. 43, pp. 3719-3723 (1972);

59. E.E. Fisch, J.E. Walsh, A.K. Henning, M.F. Kimmitt — "The Semiconductor Cherenkov Laser", Nucl. Instr. & Meth. Phys. Res. Section A Acceler. Spectr. Det. and Assoc. Equipm., Vol. 304, N 1-3, pp. 679-682 (1991);

60. E.E. Fisch, J.E. Walsh — "Operation of the Sapphire Cerenkov Laser", Applied Physics Letters, Vol. 60, N 11, pp. 1298-1300 (1992);

61. E.E. Fisch, J.E. Walsh — "Operation of the Sapphire Cerenkov Laser", Applied Physics Letters, Vol. 60, N 11, pp. 1298-1300 (1992);

62. T. Shiozawa, T. Yoshitake — "Efficiency Enhancement in a Cherenkov Laser Loaded with a Kerr-Like Medium," IEEE Journal of Quantum Electronics, Vol. 31, N 3, pp. 539-545 (1995);

63. D.E. Wortman, R.P. Leavitt, H. Dropkin, C.A. Morrison, — "Geneation of millimeter-wave radiation by menas of Smith-Purcell free-electron laser", Phys. Rev., Vol. 24, pp. 1150-1153, (1981);

64. J. Urata, M. Goldstein, M.F. Kimmitt, A. Naumov, C. Piatt, J.E. Walsh — "Superradiant Smith-Purcell Emission", Phys. Rev. Lett., Vol. 80, N 3, pp. 516-519 (1998);

65. A. Yariv, C.C. Shin, "Amplification of Radiation by Relativistic Electrons in Spatially Periodic Optical Waveguides", Optics Communications, Vol. 24, N 2, pp. 233-236, (1978);

66. A. Gover, Z. Livni — "Operation regimes of Cerenkov — Smith-Purcell Free Electron Lasers and T.W. Amplifiers", Optics Communications, Vol. 26, N 3, pp. 375-380 (1978);

67. J.M. Wachtel — "Free Electron Lasers Based on the Smith-Purcell Effect", Journal of Applied Physics, Vol. 50, N 1, pp. 49-56, (1979);

68. J.E. Walsh, J.L. Buller, B. Johnson, G. Datolli, F. Ciocci "Metal-Grating Far-Infrared Free-Electron Lasers", IEEE Journ. of Quantum Electron., Vol. QE-21, pp. 920923 (1985);

69. F.J. Crowne, R.P. Leavitt, T.L. Worchesky, — "Exactly Solvable Nonlinear Model for a Smith-Purcell Free-Electron Laser", Phys. Rev. A, Vol. 24, pp. 1154-1157 (1981);

70. L. Schachter, A. Ron — "Smith-Purcell free-electron laser" Phys. Rev. A, Vol. 40, M 2, pp. 876-896 (1989);

71. D.B. Chang, J.C. McDaniel — "Compact short-wavelength free-electron laser", Phys. Rev. Lett., Vol. 63, pp. 1066-1069 (1989);

72. J.C. McDaniel, D.B. Chang, W.W. Salisbury, J.E. Drummond — "Sraith-Purcell Radiation in the High Conductivity and Plasma Frequency Limits", Applied Optics, Vol. 28, N 22, pp. 4924-4929 (1989);

73. I Shih, W.W. Salisbury, D.L. Masters, D.B. Chang — "Measurements of Smith-Purcell Radiation", Journal of The Optical Society of America В Optical Physics, Vol. 7, N 3, pp. 345-350 (1990);

74. I. Shih, D.B. Chang, J.E. Drummond, K.L. Dubbs, D.L. Masters, R.M. Prohaska, W.W. Salisbury — "Experimental Investigations of Smith-Purcell Radiation", Journal of The Optical Society of America В Optical Physics, Vol. 7, N 3, pp. 351-356 (1990);

75. D.B. Chang, J.C. McDaniel "Enhanced Bremsstrahlung from Electrons Traversing Periodic Targets", Journal of The Optical Society of America В Optical Physics Vol. 7, N 2, pp. 239-242 (1990);

76. I. Shih, D.B. Chang, J.E. Drummond, K.L. Dubbs, D.L. Masters, R.M. Prohaska, W.W. Salisbury — "Experimental Investigation of Radiation from the Interaction of an Electron-Beam and a Conducting Grating", Optics Letters, Vol. 15, N 10, pp. 559561 (1990);

77. B. Hafizi, P. Sprangle, P. Serafim, "Effect of Energy Spread and Gyromotion on Efficiency of a Smith-Purcell FEL", Nucl. Instr. & Meth. Phys. Res. Section A Acceler. Spectr. Det. and Assoc. Equipm., Vol. 318, N 1-3, pp. 560-563 (1992);

78. B. Hafizi, P. Sprangle, P. Serafim — "Nonlinear-Analysis of a Grating Free-Electron Laser", Phys. Rev. A, Vol. 45, N 12, pp. 8846-8853 (1992);

79. T. Thumvongskul, A. Hirata, T. Shiozava, "A Compact Smith-Purcell Free-Electron Laser with a Bragg Cavity", IEICE Transactions on Electronics, Vol. E82-C, N 11, pp. 2094-2100 (1999);

80. V.G. Baryshevsky, "Volume Free Electron Lasers", Los Alamos E-print Arhive, http: / /xxx.lanl.gov/abs/physics/9806039

81. T. Shiozawa, M. Sata — "Efficiency Enhancement in a Smith-Purcell Free-Electron Laser," Applied Physics Letters Vol. 66, N 2, pp. 124-126 (1995);

82. A. Hirata, T. Shiozawa — "Efficiency Enhancement in a Cherenkov Laser by a Proper Permittivity Variation," Journal of Applied Physics, Vol. 82, N 12, pp. 5907-5912 (1997);

83. A.I. Artemyev, M.V. Fedorov, E.A. Shapiro, "Amplification in the Smith-Purcell Free-Electron Laser", Laser Physics, Vol. 4, pp. 1114-1119 (1994);

84. S.J. Smith, E.M. Purcell, "Visible Light from Localized Surface Charges Moving across a Grating", Phys. Rev., Vol. 92, p. 1069 (1953).;.

85. M.B. Федоров — "Электрон в Сильном Световом Поле", М.: Наука 1991 223 стр.;

86. V.G. Baryshevsky, I.Y. Dubovskaya, A.V. Zege — "X-Ray Free-Electron Laser in a Crystal as Distributed Feedback Resonator", Nucl. Instr. к Meth. Phys. Res. Section A Acceler. Spectr. Det. and Assoc. Equipm., Vol. 304, N 1-3, pp. 421-426 (1991);

87. H.C. Lihn, P. Kung., С. Settakron, H. Wiedemann, D. Bocek, M. Hernandez, "Observation of stimulated transition radiation," Phys. Rev. Lett., Vol. 76, pp. 4163-4166 (1996);

88. M.A. Piestrup, P.F. Finman — "The prospects of an X-ray free-electron laser using stimulated resonance transition radiation" — IEEE J. Quantum Electron., Vol. QE 19, pp. 357-364 (1983);

89. M.B Reid, M.A. Piestrup — "Resonance transition radiation X-Ray laser" — IEEE J. Quantum Electron., Vol. QE 27, pp. 2440-2455 (1991);

90. A.E. Kaplan, S. Datta, — "Extreme-ultraviolet and X-ray emission and amplification by nonrelativistic electron beams traversing a superlattice" — Applied Phys. Lett., Vol. 44, pp. 661-663 (1984);

91. А.П. Апанасевич, В.А. Ярмолкевич — "Резонансное Переходное Излучение и Особенности его Наблюдения в Многослойных Интерфереционных Структурах", ЖТФ Том 62, N 4, стр. 120-125 (1992);

92. Г.М. Гарибян, — "К теории образования рентгеновского переходного излучения в стопке пластин", ЖЭТФ, Том 60 (1), стр. 39-52 (1971);

93. M.A. Piestrup, D.G. Boyers, C.I. Pincus, J.L. Harris, X.K. Maruyama, J.C. Bergstrom, H.S. Caplan, R.M.Silzer D.M.Skopik, "Quasimonochromatic X-ray source using pho-toabsorption-edge transition radiation", Phys. Rev. A, Vol. 43, 3653-3661 (1991);

94. C.K. Gary, A.S. Fisher, R.H. Pantell, J. Harris, M.A. Piestrup "Channeling of Electrons in Si Produces Intense Quasimonochromatic, Tunable,. Picosecond X-Ray-Bursts", Phys. Rev. B, Vol. 42, N 1, pp. 7-14 (1990);

95. C.K. Gary, R.H. Pantell, M. Ozcan, M.A. Piestrup, D.G. Boyers, "Optimization of the channeling radiation source crystal to produce intense quasimonochromatic X rays," Journ. Appl. Phys., Vol. 70, pp. 2995-3002 (1991);

96. A.E. Kaplan, C.T. Law, P.L. Shkolnikov — "X-ray narrow-line transition radiation source based on low-energy electron beams traversing a multilayer nanostructure", Phys. Rev. E, Vol. 52, pp. 6795-6808 (1995);

97. Andre-JM Barchewitz-R Bonnelle-C Pardo-B "Prospects of Using Periodic Multilayer Structures as Source for X-UV Resonant Transition Radiation", Journal of Optics -Nouvelle Revue D Optique, Vol. 24, N 1, pp. 31-35, (1993);

98. C.S. Liu, V.K. Tripathi — "Short-Wavelength Free-Electron Laser Operation in a Periodic Dielectric", IEEE Transaction on Plasma Sci., Vol. 23, N 3, pp. 459-464 (1995);

99. Y.A. Malov, D.F. Zaretsky — "A Superlattice as an Undulator," Nucl. Instr. & Meth. Phys. Res. Section A Acceler. Spectr. Det. and Assoc. Equipm., Vol. 358, N 1-3, pp. 11-13 (1995);

100. L.S. Grigorian, A.H. Mkrtchyan, A.A. Saharian — "Transition Radiation in an Ultrasonic Superlattice", Nucl. Instr. & Meth. Phys. Res. Section B-Beam Inetractions with Materials and Atoms, Vol. 145, N 1-2, pp. 197-202 (1998);

101. M.V. Fedorov, E.A. Shapiro, "Free-electron lasers based on media with periodically modulated refractive index," Laser Physics, Vol. 5, pp. 735-739 (1995);

102. A.I. Artemyev, M.V. Fedorov, J.K. Mclver, E.A. Shapiro — "Nonlinear theory of a free-electron laser exploiting media with periodically modulated refractive index," IEEE J. Quantum Electron., Vol. QE 34, 24-31 (1998);

103. V.V. Apollonov, A.I. Artemyev, M.V. Fedorov, J.K. Mclver, E.A. Shapiro — "Gasplasma and superlattice free-electron lasers exploiting a medium with periodically modulated refractive index," Laser and Particle Beams, Vol. 16, pp. 267-276 (1998);

104. R.N. Agrawal, V.K. Tripathi — "Ion-acoustic-wave pumped free-electron laser," IEEE Trans. Plasma Sci., Vol. 23 788-791, (1995);

105. R.A. Bosch, R.M. Gilbenbach, "Undulation of a Magnetized Electron-Beam by a Periodic Ion Channel", Phys. Fluids, Vol. 31, N 10, pp. 3127-3129 (1988);

106. D.H. Whittum, A.M. Sessler, J.M. Dawson — "Ion-Channel Laser," Physical Review Letters, Vol. 64, N 21, pp. 2511-2514 (1990);

107. K.R. Chen, J.M. Dawson "Ion-ripple laser", Phys. Rev. Lett., Vol. 68, pp. 29-32 (1992);

108. K.R. Chen, J.M. Dawson — "Amplification mechanism of ion-ripple lasers and its possible applications", IEEE Trans. Plasma Sci., Vol. 21, pp. 151-155 (1993);

109. K. Nakajima, M. Kando, T. Kawakubo, T. Nakanishi, A. Ogata — "A table-top X-ray FEL based on laser wakefield accelerator-undulator system" — Nucl. Instr. & Meth. Phys. Res. A, Vol. 375, pp. 593-596 (1996);

110. V.A. Bazylev, T.J. Schep, A.V. Tulupov — "Short-Wavelength Free-Electron Lasers with Periodic Plasma Structures", Jorn. of Phys. D Appl. Phys., Vol. 27, pp. 24662469 (1994);

111. V.A. Bazylev, V. Goloviznin, M.M. Pitatelev, A.V. Tulupov, T.J. Schep — "On the possibility of construction of plasma undulators" — Nucl. Instr. & Meth. Phys. Res. A, Vol. 358, pp. 433-436 (1995);

112. N.I. Karbushev — "Free-electron lasers with static and dynamic plasma wigglers" — Nucl. Instr. k Meth. Phys. Res. A, Vol. 358, pp. 437-440 (1995);

113. D.J. Gregoire, R.J. Harvey —■ "The Electromagnetic-Wiggler Harmonic Amplifier FEL", Nucl. Instr. & Meth. Phys. Res. Section A Acceler. Spectr. Det. and Assoc. Equipm., Vol. 318, N 1-3, pp. 741-744 (1992);

114. R. Bonifacio, L.D. Souza, B.W.J. McNeil — "Emittance Limitations in the Free-Electron Laser", Optics Communications, Vol. 93, N 3-4, pp. 179-185 (1992);

115. B. Hafizi, C.W. Roberson — "Effect of Emittance and Energy Spread on a Free-Electron Laser in the Gain-Focusing Regime", Phys. Rev. Lett., Vol. 68, N 24, pp. 3539-3542 (1992);

116. C.W. Roberson, B. Hafizi — "Free-Electron Laser Scaling with Emittance and Energy Spread", Nucl. Instr. & Meth. Phys. Res. Section A Acceler. Spectr. Det. and Assoc. Equipm., Vol. 331, N 1-3, pp. 365-370 (1993);

117. Bosch-RA Bidwell-SW Gilgenbach-RM Current Clamping in a Long Pulse Electron Beam-Gas Interaction IEEE Transaction on Plasma Sci., Vol. 16, N 4, pp. 428-432 (1988);

118. R.F. Lucey, J.D. Miller, R.M. Gilgenbach, J.E. Tucker, R.A. Bosch "Transport and Stability of Long-Pulse Relativistic Electron-Beams in UV Laser-Induced Ion Channels", Physics of Fluids B Plasma Physics, Vol. 1, N 2, pp. 430-434 (1989);

119. A.S. Fisher, T.L. Deloney, J. Feinstein, W.M. Grossman, R.H. Pantell, M.B. Reid -"Picosecond Beam Propagation for Gas-Loaded Free-Electron Lasers", Nucl. Instr. &

120. Meth. Phys. Res. Section A Acceler. Spectr. Det. and Assoc. Equipm., Vol. 250, N 1-2, pp. 337-341 (1986);

121. J. Feinstein, A.M. Fauchet, R.H. Pantell "Prospects for Visible and VUV Free-Electron Lasers Using Dielectric Resonance", IEEE Journal of Quantum Electronics, Vol. 22, N 5, pp. 587-589 (1986);

122. J. Feinstein, A.S. Fisher, M.B. Reid, A. Ho, M. Ozcan, H.D. Dulman, R.H. Pantell -"Experimental results on a Gas-Loaded FEL", Phys. Rev. Lett., Vol. 60, pp. 18-20, (1988);

123. M.B. Reid, A.S. Fisher, J. Feinstein, A.H. Ho, M. Ozcan, H.D. Dulman, Y.J. Lee, R.H. Pantell — "Experimental elimination of plasma effects in a Gas-Loaded FEL", Phys. Rev. Lett., Vol. 62, pp. 249-252, (1989);

124. A.S. Fisher, R.H. Pantell, J. Feinstein, T.L. Deloney, M.B. Reid — "Propagation of a Picosecond-Duration, Relativistic Electron-Beam Through Hydrogen at Atmospheric Pressures", Journal of Applied Physics, Vol. 64, N 2, pp. 575-580 (1988);

125. R.H. Pantell, M. Ozcan — "Gas-Loaded Free-Electron Lasers", Physics of Fluids В -Plasma Physics, Vol. 2, N 6, pp. 1311-1312 (1990);

126. M. Ozcan, R.H. Pantell, J. Feinstein, A.H. Ho — "Gas-Loaded Free-Electron Laser Experiments on the Stanford Superconducting Accelerator", IEEE Journal of Quantum Electronics, Vol. 27, N 2, pp. 171-173 (1991);

127. M.Born, E.Wolf, — "Principles of Optics", Pergamon Press, Oxford, London, Edinburg, New York, Paris, Frankfurt (1964);

128. Л.Д. Ландау, E.M. Лифшиц, "Теория Поля", M.: Наука 1973 - 504 стр.;

129. S. Datta, С.Т. Chan, К.М. Но, С.М. Soukoulis "Photonic Band-Gaps in Periodic Dielectric Structures - The Scalar-Wave Approximation", Physical Review В - Condensed Matter, Vol. 46, N 17, pp. 10650-10656 (1992);

130. G. Ramian, J. Kaminski, S.J. Allen, "First Lasing of the UCSB 30 /шi Free-Electron Laser", Talk МО C01 06, Book of Abstracts, 18-th International Free-Electron Laser Conference FEL'96, Roma-Palazzo Brancaccio, August 26-30, (1996);

131. M.L. Ter-Mikaelian, High-Energy Electromagnetic Processes in Condensed Media, Wiley Interscience, New-York, (1972);

132. R.R. Mitchel, L.J. Denis, L.E. Kline, "Electrode Surface Field and Preionization Effects on the Spatial Distribution of Arcs in СОг-laser discharges", Journ. Appl. Phys., Vol. 49, N 4, p. 2376-2379 (1978);

133. F.E.C. Culc, P.I. Shen, W.S. Grifm — "Acoustic Waves and Heating Due to Molecular Energy Trasfer in an Electric Discharge CO Laser", IEEE Journ. of Quant. Electron., Vol. QE-12, N 10, pp. 566-574 (1976);

134. А.А. Кучинский, — "Разработка и Исследование Импульсного СОг-Лазера, Возбуждаемого Самостоятельным Разрядом с Предионизацией Ультрафиолетовым Излучением", кандидатская диссертация, НИИ Электрофизической Аппаратуры им. Д.В. Ефремова, Ленинград: 1984;

135. P. Sprangle, Е. Esarey, В. Hafizi — Intense Laser-Pulse Propagation and Stability in "Partially Stripped Plasmas", Phys. Rev. Lett., Vol. 79, N 6, pp. 1046-1049 (1997);

136. M.V. Fedorov, — "Interaction of Intense Laser Light with Free Electrons", in series "Laser Science and Technology, an International Handbook", ed. By V.S. Letokhov, C.V. Shank, Y.R. Shen,H. Walther, Harwood Academic Publishers, Chur: 1991.

137. Публикации автора по теме диссертации

138. Основные результаты диссертации опубликованы в работах

139. В.В. Аполлонов, А.И. Артемьев, Ю.Л. Калачев, A.M. Прохоров, М.В. Федоров — "Ускорение электронов в сильном лазерном поле и постоянном поперечном магнитном поле", Письма в Журнал Экспериментальной и Теоретической Физики, Том. 47, N 2, стр. 77-79 (1988);

140. A.I. Artemyev, M.V. Fedorov, E.A. Shapiro, "Amplification in the Smith-Purcell Free-Electron Laser", Laser Physics, Vol. 4, pp. 1114-1119 (1994);

141. A.I. Artemyev, M.V. Fedorov, J.K. Mclver, E.A. Shapiro — "Nonlinear theory of a free-electron laser exploiting media with periodically modulated refractive index," IEEE J. Quantum Electron., Vol. QE 34, 24-31 (1998);

142. V.V. Apollonov, A.I. Artemyev, M.V. Fedorov, J.K. Mclver, E.A. Shapiro — "Gasplasma and superlattice free-electron lasers exploiting a medium with periodically modulated refractive index," Laser and Particle Beams, Vol. 16, pp. 267-276 (1998);

143. Доклады автора на конференциях

144. Основные результаты диссертации доложены на следующих конференциях: