Ондулятор изготовлен из сверхпроводящей бифилярной спи­ральной обмотки; для отклонения электронного пучка от зер­кал (рис. 4) использовалось продольное магнитное поле 1 кГс. В статье Элиаса и др. сообщалось о том, что зарегистри­ровано спонтанное излучение из ондулятора на длине волны 10,6 мкм при энергии W»24 МэВ и усиление около 7 % сиг­нала от TEA С02-лазера с плотностью мощности 140 кВт/см2, причем была получена всем теперь знакомая асимметричная кривая усиления. Этот эксперимент был повторен на накопителе АСО (Орсе, Франция) при энергии 150 МэВ . На рис. 5 показано очень точное соответствие между коэффициентом уси­ления ЛСЭ и производной спектра спонтанного излучения (арго­новый лазер, 4880 ). После увеличения импульсного тока SCA от 70 мА до 2,6 А стало возможным продемонстрировать гене­рацию лазера на длине волны 3,4 мкм, когда энергия элек­тронов была 43,5 МэВ. Превышение импульсной мощности над уровнем мощности спонтанного излучения было порядка 108. При коэффициенте пропускания зеркал 1,5 % в резонаторе заре­гистрирована мощность ~500 кВт.

Рис. 4. Схема Станфордского лазера на свободных электронах в режиме генератора. Около зеркал, кроме поля ондулятора, использовалось ведущее поле для ввода и вывода электронного пучка. © 1977 APS.

Рис. 5. Сравнение кривых усиления ЛСЭ (аргоновый лазер, 4880 А), из­меренного в двух отдельных экспериментах (сплошные линии), наложенных на производную спектра спонтанного излучения (пунктирная кривая). Мак­симальное усиление равно 3·10-4; использовался сверхпроводящий ондуля­тор с периодом l0= 4 см. © 1982 North-Holland.

На рис. 6 для сравнения приведен спектр мощности ниже () и выше порога генерации, из которого видно, что оптический резонатор значи­тельно сужает ширину линии. Все эксперименты были выпол­нены для двухволнового режима ЛСЭ, поскольку wpT~0,1.

Особенно большую ценность имеют дополнительные экспери­ментальные результаты, полученные Станфордской группой, поскольку они обеспечивают базу для разработки на­дежной теории. Один из результатов (рис. 7) связан с време­нем “включения” генератора. Это время оказалось не только удивительно большим (~30 мкс, несколько сотен проходов оп­тического пучка), но и было обнаружено, что время включения и мощность выходного излучения очень чувствительны к рас­стоянию между зеркалами резонатора (рис. 8). Изучение времени нарастания мощности излучения в начале импульса генератора позволило оценить коэффициент усиления малого сигнала за проход, который оказался равным 6—10%.

Рис. 6. Сужение спектральной линии излучения ЛСЭ выше и ниже порога генерации. © 1977 APS.

Рис. 7. Форма импульса излучения ЛСЭ, показывающая задержку време­ни включения генератора и времяни нарастания; время на оси абсцисс отсчи­тывается от момента выстрела электронного пучка. © 1982 Addison-Wesley.

Рис. 8. Зависимость средней выходной мощности ЛСЭ от расстройки дли­ны резонатора. © 1982 Addison-Wesley.

Рис. 9. Влияние излучения ЛСЭ на энергетический спектр электронов. © 1977 Addison-Wesley.

Были проведены измерения временных характеристик элек­тронного и оптического спектров. Ширина распределения элек­тронов по импульсам возрастает примерно на 1 % при вклю­чении лазера (в качестве примера на рис. 9 приведен один из предыдущих результатов, из которого видно, что центр тяжести кривой смещен примерно на 0,1 % относительно начальной энер­гии электрона). Мы видим, что спектр является асимметричным. После первоначаль­ного запуска лазера среднее значение оптической длины волны, по существу, сохраняется постоянным, но все еще некоторые осо­бенности оптического импульса нуждаются в экспериментальной проверке. Недавно были проведены эксперименты, в которых ширина оптического импульса измерялась с помощью автокорреляционной схемы и генерации второй гармоники в кри­сталле LiNbO3. Когда длина резонатора была точно синхронизи­рована с протяженностью сгустка, наблюдался импульс ЛСЭ длительностью 1,5 пс при импульсной мощности около 400 кВт. При изменении длины резонатора было зарегистрировано увели­чение ширины оптического импульса и уменьшение ширины спек­тральной линии излучения.

В связи с исследованиями, проводимыми в Станфорде на SCA, необходимо упомянуть об успешных экспериментах Лабо­ратории передовой технологии и инженерных наук фирмы “TRW” с ЛСЭ-генератором, в котором используется многокомпонентный ондулятор. Этот эксперимент отличает наличие очень хорошей диагностической и контрольно-измерительной аппаратуры. На однородном и неоднородном вариантах ондулятора была по­лучена средняя мощность излучения 10 Вт на длине волны 1,6 мкм. Кроме того, во время генерации было обнаружено ин­тенсивное излучение третьей гармоники на длине волны около 0,5 мкм. Как и можно было предполагать, это коротковолновое излучение оказалось чрезвычайно чувствительным к регулировке длины резонатора.

Применения ЛСЭ

Краткий анализ спектра (рис. 10) показывает, что ЛСЭ должны быть наиболее перспективными для той спектральной области, для которой разработано очень немного источников когерентного излучения, например для субмиллиметрового и УФ диапазонов.

Пока еще рано сравнивать ЛСЭ с более высокоразвитыми ЛЭСлазерными системами, поскольку для них еще мало что сделано, в области специальных источников питания и ускорительных установок. Однако ясно, что в субмиллиметровой области спектры, ЛСЭ займут не больше места, чем обычные субмиллиметровые молекулярные лазеры. Даже в ближнем ИК диапазоне и видимой области спектра ЛСЭ могут конкурировать с традиционными лазерами только в тех случаях, когда важную роль играют перестройка частоты, выходная мощность или КПД.

Рис. 10. Когерентные источники большой мощности; двойными кружкамиуказаны ЛСЭ.

В области спектра, представляющей интерес для химиков (200 – 4000 см-1), наличие перестраиваемого по частоте источника позволило бы качественно повысить эффективность применения колебательной спектроскопии поглощения молекул. Длительность импульса ЛСЭ может быть меньше времени релаксации молекул; следовательно, можно с высокой точностью контролировать химические процессы с участием выделенных связей. Применение высокоэффективного ЛСЭ позволит нам не только лучше понять химические цепные реакции с лазерным возбуждением, когда фотодиссоциация одной молекулы будет приводить к образованию большого числа других, но и приблизит их к реализации в промышленных масштабах. В дальнем ИК диапазоне (~100 мкм), где энергия фотонов равна примерно kt, ЛСЭ можно было бы использовать для исследования низкоэнергетических состояний Ван-дер-Ваальса. Возможность широкой перестройки частоты и высокая эффективность делают ЛСЭ весьма привлекательными для лазерного разделения и обогащения изотопов.