Способ генерации электромагнитного излучения и объемный лазер на свободных электронах для осуществления способа
Номер патента: 4665
Опубликовано: 24.06.2004
Авторы: Столярский Виктор Иванович, Пефтиев Владимир Павлович, Михальчик Весли, Батраков Константин Германович, Барышевский Владимир Григорьевич
Формула / Реферат
1. Способ генерации электромагнитного излучения, включающий использование пространственно модулированной электродинамической системы, формирование и проводку электронного пучка (3) относительно этой электродинамической системы, отличающийся тем, что пространственно модулированную электродинамическую систему ориентируют относительно вектора скорости пучка электронов таким образом, чтобы ее ориентация и пространственная периодичность были связаны условиями синхронизма и условиями многоволновой дифракции, в соответствии с соотношениями
где w - частота излучения электромагнитной волны,
- волновой вектор электромагнитной волны,
- вектор скорости электронного пучка,
- векторы обратной решетки, определяемые ориентацией и структурой решетки,
- набор векторов обратной решетки,
d1, d2, d3 - периоды пространственной решетки,
ki, li, mi - целые числа,
i=1, ..., s+1, где s+1 - количество волн, принимающих участие в процессе дифракции,
W - частота осцилляторного движения электрона во внешнем поле, причем если внешнее поле отсутствует, то W = 0,
при этом пространственно модулированную электродинамическую систему ориентируют до достижения условий s-кратного вырождения дифракционных корней с зависимостью мнимой части решения дисперсионного уравнения от плотности электронного пучка, определяемой выражением
где wL - ленгмюровская частота электронного пучка,
gs - коэффициент связи электромагнитной волны с электронным пучком.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что создают и проводят относительно пространственно модулированной электродинамической системы по меньшей мере два электронных пучка, преимущественно распространяющихся параллельно и/или концентрично расположенных друг относительно друга.
3. Способ по любому из пп.1, 2, отличающийся тем, что в электродинамической системе создают по меньшей мере один канал выбранного поперечного сечения для проводки электронного пучка через канал.
4. Способ по любому из пп.1, 2, отличающийся тем, что в электродинамической системе создают по меньшей мере два периода модуляции, при этом в одном из периодов модуляции возбуждают излучение в электродинамической системе, а в другом периоде модуляции осуществляют распределенную обратную связь в упомянутой электродинамической системе.
5. Способ по любому из пп.1-5, отличающийся тем, что выбранное положение электродинамической системы изменяют относительно вектора скорости упомянутого пучка электронов в процессе генерации с возможностью изменения частоты излучения путем изменения геометрического положения электродинамической системы.
6. Способ по любому из пп.1-5, отличающийся тем, что дополнительно осуществляют модуляцию электродинамических свойств упомянутой системы, которую изменяют выбранным образом в объеме упомянутой системы и во времени.
7. Способ по любому из пп.1-6, отличающийся тем, что в процессе генерации путем взаимодействия электродинамической системы с несколькими, по меньшей мере двумя, периодами модуляции с электронным пучком на одном периоде модуляции возбуждают электромагнитную волну накачки - динамический вигглер, с возможностью взаимодействия электронного пучка с упомянутой волной, осуществляют взаимодействие с другой системой модуляции G, имеющей другой период, преимущественно более короткий, и электронным пучком в условиях многоволновой дифракции для генерации излучения с длиной волны, более короткой, чем период модуляции первой системы.
8. Способ по любому из пп.1-7, отличающийся тем, что электродинамическую систему создают в виде набора периодически расположенных в пространстве отдельных элементов для обеспечения требуемых электродинамических свойств системы.
9. Способ по любому из пп.1-8, отличающийся тем, что по меньшей мере один элемент упомянутой системы используют в виде дифракционной решетки.
10. Способ по любому из пп.1-9, отличающийся тем, что по меньшей мере один упомянутый элемент системы используют в виде магнитостатического вигглера.
11. Способ по любому из пп.1-9, отличающийся тем, что по меньшей мере один упомянутый элемент системы используют в виде электростатического вигглера.
12. Способ по любому из пп.1-11, отличающийся тем, что вектор скорости упомянутого пучка поворачивают относительно выбранного пространственного положения упомянутой системы.
13. Способ по любому из пп.1-12, отличающийся тем, что в электродинамическую систему вводят электромагнитный сигнал с несущей частотой, соответствующей частоте, определенной в п.1.
14. Объемный лазер на свободных электронах, включающий пространственно модулированную электродинамическую систему, источник электронного пучка, направляющее устройство для проводки электронного пучка, отличающийся тем, что он снабжен средством для изменения ориентации электродинамической системы относительно вектора скорости пучка электронов и ее пространственной периодичности в соответствии с условием максимальности инкремента неустойчивости, являющимся решением уравнения
где w - частота излучения электромагнитной волны,
- волновой вектор электромагнитной волны,
- вектор скорости электронного пучка,
wL - ленгмюровская частота электронного пучка,
g - коэффициент связи электромагнитной волны с электронным пучком,
D -дисперсионное уравнение, связывающее между собой частоту w и волновой вектор в электродинамической системе в отсутствии электронного пучка,
=
+
,
- векторы обратной решетки, определяемые ориентацией и структурой решетки,
- набор векторов обратной решетки,
d1 - периоды пространственной решетки,
ki, li, mi - целые числа,
i = 1, ..., s+1, где s+1 - количество волн, принимающих участие в процессе дифракции,
W - частота осцилляторного движения электрона во внешнем поле (если внешнее поле отсутствует, то W = 0).
15. Объемный лазер на свободных электронах по п.14, отличающийся тем, что модулированная электродинамическая система снабжена средством для изменения пространственной ориентации электродинамической системы относительно пучка электронов в процессе генерации с возможностью изменения частоты излучения путем изменения геометрического положения электродинамической системы.
16. Объемный лазер на свободных электронах по пп.14, 15, отличающийся тем, что он снабжен по меньшей мере двумя источниками электронного пучка, с возможностью генерации пространственно разнесенных электронных пучков, преимущественно распространяющихся параллельно и/или концентрично расположенных друг относительно друга.
17. Объемный лазер на свободных электронах по любому из пп.14-16, отличающийся тем, что электродинамичесъря система выполнена по меньшей мере с одним каналом выбранного поперечного сечения для проводки электронного пучка через канал.
18. Объемный лазер на свободных электронах по любому из пп.14-17, отличающийся тем, что электродинамическая система выполнена по меньшей мере с двумя периодами модуляции, при этом один из периодов модуляции выполнен для возбуждения излучения в электродинамической системе, а другие периоды модуляции выполнены с возможностью создания распределенной обратной связи в упомянутой электродинамической системе.
19. Объемный лазер на свободных электронах по любому из пп.14-18, отличающийся тем, что электродинамическая модулированная система выполнена по меньшей мере с двумя периодами пространственной модуляции электромагнитных свойств, имеющими разные вектора обратной решетки, таким образом, что одна система пространственной модуляции выполнена с возможностью взаимодействия с электронным пучком для создания электромагнитной волны накачки с возможностью образования динамического вигглера, а другая система модуляции выполнена с возможностью обеспечения резонансных условий синхронизма и дифракции излучения более короткой длины волны с пучком электронов для генерации излучения на более короткой длине волны, чем период модуляции первой системы.
20. Объемный лазер на свободных электронах по любому из пп.14-19, отличающийся тем, что электродинамическая система выполнена из диэлектрического материала.
21. Объемный лазер на свободных электронах по любому из пп.14-19, отличающийся тем, что электродинамическая система выполнена целиком из электропроводящего материала.
22. Объемный лазер на свободных электронах по любому из пп.14-19, отличающийся тем, что упомянутая система выполнена целиком из полупроводникового материала.
23. Объемный лазер на свободных электронах по любому из пп.14-19, отличающийся тем, что электродинамическая система выполнена из композитного материала на основе диэлектриков и/или проводников, и/или полупроводников.
24. Объемный лазер на свободных электронах по любому из пп.14-23, отличающийся тем, что электродинамическая система выполнена в виде набора периодически расположенных в пространстве отдельных элементов.
25. Объемный лазер на свободных электронах по любому из пп.14-24, отличающийся тем, что электродинамическая система выполнена в виде набора концентрически расположенных в пространстве отдельных элементов.
26. Объемный лазер на свободных электронах по любому из пп.14-25, отличающийся тем, что по меньшей мере один элемент упомянутой системы выполнен в виде дифракционной решетки.
27. Объемный лазер на свободных электронах по любому из пп.14-26, отличающийся тем, что по меньшей мере один упомянутый элемент системы выполнен в виде магнитостатического вигглера.
28. Объемный лазер на свободных электронах по любому из пп.14-26, отличающийся тем, что по меньшей мере один упомянутый элемент системы выполнен в виде электростатического вигглера.
29. Объемный лазер на свободных электронах по любому из пп.14-28, отличающийся тем, что упомянутое устройство для проводки электронного пучка снабжено средством для поворота вектора скорости упомянутого пучка относительно выбранного пространственного положения упомянутой системы.
30. Объемный лазер на свободных электронах по любому из пп.14-29, отличающийся тем, что упомянутая электродинамическая система снабжена средством для поворота относительно вектора скорости электронного пучка.
31. Объемный лазер на свободных электронах по любому из пп.14-30, отличающийся тем, что упомянутая электродинамическая система снабжена устройством для ввода электромагнитного сигнала.
Текст
1 Изобретение относится к области электроники, в частности к технологии генерирования и усиления когерентного электромагнитного излучения и может быть использовано, преимущественно, для разработки и производства лазеров на свободных электронах (ЛСЭ), основанным на взаимодействии электронного пучка с электродинамической структурой, имеющей периодическую пространственную модуляцию электромагнитных свойств, например диэлектрической проницаемости. Изобретение связано главным образом с технологией изготовления устройств, основанных на методах генерации когерентного электромагнитного излучения в широком диапазоне частот и методах перестройки длины волны генерируемого излучения в сантиметровом - миллиметровом диапазоне и в субмиллиметровом оптическом. Преимущественными областями применения технологии излучения в упомянутом диапазоне являются: создание источников излучения с перестройкой частоты для радаров (сантиметровый - миллиметровый диапазон), создание источников излучения с перестройкой частоты для спектроскопических исследований (субмиллиметровый -оптический диапазон), создание источников излучения для обработки поверхностей материалов, создание мощных когерентных источников излучения в широком диапазоне частот для беспроводной передачи энергии и информации, создание лазеров для нагрева термоядерной плазмы в термоядерных реакторах. Известен, способ генерации электромагнитного излучения, включающий создание и проводку электронного пучка, пространственно модулированной электродинамической системы, создание пространственно модулированного периодического магнитного поля, одна из компонент вектора напряженности которого перпендикулярна относительно направления распространения электронного пучка. [1] Известен по способу ЛСЭ ондуляторного типа состоящий из источника электронного пучка, электронного пучка, распространяющегося в заданном направлении, ондулятора или вигглера, создающего поперечное относительно направления движения пучка электронов магнитное поле с продольной, вдоль направления движения электронов, пространственной модуляцией, направляющего устройства, обеспечивающего проводку упомянутого электронного пучка в заданном направлении и резонатора. Обычно используют открытый резонатор, состоящий из двухзеркальной системы, соосной с направлением движения пучка электронов, в диапазоне сантиметровых и миллиметровых длин волн применяется закрытый резонатор,состоящий из двухзеркальной системы и волновода, соосного направлению движения электронов [1]. 2 Перестройка длины волны излучения в таком ЛСЭ может быть обеспечена только изменением энергии электронов и (или) магнитного поля ондулятора, что, для задач очень быстрой перестройки, при высокой мощности пучка и большой величине магнитного поля, является сложной технической проблемой. Кроме того,создание генератора на основе такого ЛСЭ в мм и суб-мм диапазоне длин волн возможно только на пучках высокой энергии (несколько МэВ и выше). Коэффициент усиления ЛСЭ ондуляторного типа прямо пропорционален плотности электронного пучка в степени 1/3. Для создания генераторов излучения с минимальной длиной взаимодействия пучка с электродинамической структурой (и, как следствие с минимальной длиной резонатора) это требует генерации и проводки электронных пучков, обладающих высокой плотностью тока, что, являясь, само по себе сложной задачей, ухудшает условия работы электродинамических систем, взаимодействующих с пучком. Известен способ генерации электромагнитного излучения на основе эффекта Черенкова, включающий создание электронного пучка,создание диэлектрической электродинамической структуры, в которой фазовая скорость волны совпадает со скоростью электронного пучка и проводку электронного пучка непосредственно над поверхностью диэлектрика [2]. Длина волны генерируемого излучения в такой системе определяется величиной диэлектрической проницаемости диэлектрика, его геометрическими свойствами и энергией электронов. Изменение длины волны излучения в известном лазере на свободных электронах, включающем пространственно модулированную электродинамическую систему, источник электронного пучка, средство для проводки электронного пучка по этому способу также осуществляют путем изменения энергии электронного пучка, что в случае пучков большой мощности создает большие сложности. Электронный пучок в таком ЛСЭ взаимодействует с волной,возбуждаемой в электродинамической системе,амплитуда которой экспоненциально спадает при удалении от поверхности электродинамической структуры [2]. Эффективность генерации при этом определяется минимальным расстоянием между поверхностью структуры и пучком. При генерации сверхмощных (более ГВт) электромагнитных импульсов в этом случае возникает проблема стойкости генератора. В случае увеличения поверхности взаимодействия за счет увеличения поперечных по отношению к движению электронного пучка размеров сечения пучка и электродинамической системы, в перечисленных выше типах ЛСЭ возникает очень серьезная проблема селекции мод излучения. 3 Известен способ генерации электромагнитного излучения на основе эффекта Смит Парселла, включающий создание и проводку электронного пучка, создание плоской периодически модулированной электродинамической системы, создание резонатора электромагнитного излучения, примущественно, в виде двух оптических зеркал [3-6]. Известен ЛСЭ по способу, включающий плоскую периодически модулированную электродинамической систему, источник электронного пучка, и резонатор электромагнитного излучения, в форме двух оптических зеркал [3-6]. Изменение длины волны излучения в таком ЛСЭ также осуществляют путем изменения энергии электронного пучка, что в случае пучков большой мощности создает большие сложности. Существуют также трудности связанные с перестройкой волны излучения ввиду того,что данный тип генератора оптимизирован, как правило, под конкретную частоту излучения. Кроме того, электронный пучок в таком ЛСЭ взаимодействует с волной, возбуждаемой в электродинамической системе, амплитуда которой экспоненциально спадает при удалении от поверхности электродинамической структуры. Эффективность генерации при этом определяется минимальным расстоянием между поверхностью структуры и пучком. Коэффициент усиления такого ЛСЭ также прямо пропорционален плотности электронного пучка в степени 1/3, и обладает теми же недостатками, связанными с этим, что и ЛСЭ ондуляторного типа. Прототипом является способ генерации электромагнитного излучения, включающий создание пространственно модулированной электродинамической системы, создание и проводку электронного пучка относительно этой электродинамической системы, пространственную ориентацию электродинамической системы относительно пучка электронов [7]. Прототипом устройства является дифракционный лазер на свободных электронах, включающий пространственно модулированную электродинамическую систему состоящую из дифракционной решетки и боковых зеркал, источник электронного пучка, направляющее устройство для проводки электронного пучка относительно электродинамической системы [7]. Основными недостатками прототипа являются: невозможность перестройки длины волны излучения без изменения энергии пучка электронов, невозможность генерации излучения высокой мощности из-за поверхностного характера взаимодействия электронного пучка с электродинамической системой. В основу изобретения поставлена задача обеспечения плавной перестройки длины волны излучения; повышения коэффициента усиления при одних и тех же параметрах электронного пучка и понижение порога генерации; 4 обеспечения объемного взаимодействия поля возбужденной электродинамической структуры с электронным пучком. Поставленная задача достигается тем, что в способе генерации электромагнитного излучения, включающем: создание пространственно модулированной электродинамической системы, создание и проводку электронного пучка относительно этой электродинамической системы, пространственную ориентацию электродинамической системы относительно пучка электронов, согласно изобретению, ориентируют пространственно модулированную электродинамическую систему заданным законом образом относительно вектора скорости пучка электронов, так чтобы ее ориентация и пространственная периодичность были бы связаны условиями синхронизма и условиями многоволновой дифракции, в соответствии с соотношениями- частота излучения электромагнитной волны,-волновой вектор электромагнитной волны,-вектор скорости электронного пучка,- набор векторов обратной решетки, определяемый ориентацией и структурой решетки,d1, d2, d3 - периоды пространственной решетки,ki, li, mi - целые числа, i =1s+1, где s+1 количество волн, принимающих участие в процессе дифракции, - частота осцилляторного движения электрона во внешнем поле (если внешнее поле отсутствует, то= 0),при этом пространственно модулированную электродинамическую систему ориентируют до достижения условий s - кратного вырождения дифракционных корней с зависимостью мнимой части решения дисперсионного уравнения от плотности электронного пучка определяемой выражением:L - ленгмюровская частота электронного пучка,gs- коэффициент связи электромагнитной волны с электронным пучком. В способе генерируют и проводят относительно пространственно модулированной электродинамической системы, по меньшей мере,два электронных пучка, которые распространяют параллельно и/или концентрично друг относительно друга. В способе в электродинамической системе создают, по меньшей мере, один канал выбран 5 ного поперечного сечения для проводки электронного пучка через канал. В способе в электродинамической системе создают, по меньшей мере, два периода модуляции, при этом в одном из периодов модуляции возбуждают излучение в электродинамической системе, а в другом периоде модуляции осуществляют распределенную обратную связь в упомянутой электродинамической системе. В способе в процессе генерации излучения выбранное положение электродинамической системы изменяют относительно вектора скорости упомянутого пучка электронов, в процессе генерации с возможностью изменения частоты излучения путем изменения геометрического положения электродинамической системы. В способе генерации электромагнитного излучения дополнительно осуществляют пространственную модуляцию электродинамических свойств упомянутой системы, которую изменяют выбранным образом в объеме упомянутой системы и во времени. В способе в процессе генерации путем взаимодействия электродинамической системы,с несколькими, по меньшей мере двумя, периодами модуляции с электронным пучком на одном периоде модуляции возбуждают электромагнитную волну накачки с возможностью взаимодействия электронного пучка с упомянутой волной, осуществляют взаимодействие с другой системой модуляции, имеющей другой период, преимущественно более короткий с электронным пучком в условиях многоволновой дифракции, для генерации излучения с длиной волны, более короткой чем период модуляции первой системы. В способе электродинамическую систему создают в виде набора периодически расположенных в пространстве отдельных элементов с возможностью обеспечения требуемых электродинамических свойства системы. В способе, по меньшей мере, один элемент упомянутой системы используют в виде дифракционной решетки. В способе, по меньшей мере, один упомянутый элемент системы используют в виде магнитостатического вигглера. В способе, по меньшей мере, один упомянутый элемент системы используют в виде электростатического вигглера. В способе вектор скорости упомянутого пучка поворачивают относительно выбранного пространственного положения упомянутой системы. В способе в электродинамическую систему вводят электромагнитный сигнал. Поставленная задача достигается тем, что в объемном лазере на свободных электронах,включающем пространственно модулированную электродинамическую систему, источник электронного пучка, направляющее устройство для проводки электронного пучка, согласно- скорости системы относительно вектора пучка электронов и ее пространственная периодичность заданы условием максимальности инкремента неустойчивости, являющимся решением уравнения.- частота излучения электромагнитной волны,- волновой вектор электромагнитной волны,- вектор скорости электронного пучка,L - ленгмюровская частота электронного пучка,g - коэффициент связи электромагнитной волны с электронным пучком,D - дисперсионное уравнение, связывающее между собой частотуи волновой вектор k в электродинамической системе в отсутствии электронного пучка-векторы обратной решетки, определяемые ориентацией и структурой решетки,- набор векторов обратной решетки,d1, d2, d3 - периоды пространственной решетки,ki, li, mi - целые числа,i =1s+1, где s+1 - количество волн, принимающих участие в процессе дифракции, - частота осцилляторного движения электрона во внешнем поле (если внешнее поле отсутствует, то= 0). В объемном лазере на свободных электронах, модулированная электродинамическая система снабжена средством для пространственной ориентации электродинамической системы относительно пучка электронов в процессе генерации, с возможностью изменения частоты излучения путем изменения геометрического положения электродинамической системы. Объемный лазер на свободных электронах снабжен, по меньшей мере, двумя источниками электронного пучка, с возможностью генерации пространственно разнесенных электронных пучков, преимущественно, распространяющихся параллельно и/или концентрично расположенных друг относительно друга. В объемном лазере на свободных электронах электродинамическая система выполнена,по меньшей мере, с одним каналом выбранного поперечного сечения для проводки электронного пучка через канал. В объемном лазере на свободных электронах электродинамическая система выполнена,по меньшей мере, с двумя периодами модуляции, при этом один из периодов модуляции выполнен для возбуждения излучения в электродинамической системе, а другие периоды модуляции выполнены с возможностью создания 7 распределенной обратной связи связь в упомянутой электродинамической системе. В объемном лазере на свободных электронах электродинамическая модулированная система выполнена, с несколькими, по меньшей мере двумя, периодами модуляции с электронным пучком на одном периоде модуляции возбуждают электромагнитную волну накачки с возможностью взаимодействия электронного пучка с упомянутой волной, осуществляют взаимодействие с другой системой модуляции,имеющей другой период, преимущественно более короткий с электронным пучком в условиях многоволновой дифракции, для генерации излучения с длиной волны, более короткой чем период модуляции первой системы. В объемном лазере на свободных электронах электродинамическая система выполнена из диэлектрического материала. В объемном лазере на свободных электронах электродинамическая система выполнена целиком из электропроводящего материала. В объемном лазере на свободных электронах упомянутая система выполнена целиком из полупроводникового материала. В объемном лазере на свободных электронах электродинамическая система выполнена из композитного материала на основе диэлектриков и/или проводников и/или полупроводников. В объемном лазере на свободных электронах электродинамическая система выполнена в виде набора периодически расположенных в пространстве отдельных элементов. В объемном лазере на свободных электронах электродинамическая система выполнена в виде набора концентрически расположенных в пространстве отдельных элементов. В объемном лазере на свободных электронах по меньшей мере, один элемент упомянутой системы выполнен в виде дифракционной решетки. В объемном лазере на свободных электронах по меньшей мере, один упомянутый элемент системы выполнен в виде магнитостатического вигглера. В объемном лазере на свободных электронах по меньшей мере, один упомянутый элемент системы выполнен в виде электростатического вигглера. В объемном лазере на свободных электронах упомянутое устройство для проводки электронного пучка снабжено средством для поворота вектора скорости упомянутого пучка относительно выбранного пространственного положения упомянутой системы. В объемном лазере на свободных электронах электродинамическая система снабжена средством для поворота относительно вектора скорости электронного пучка. В объемном лазере на свободных электронах электродинамическая система снабжена устройством ввода электромагнитного сигнала. 8 Для лучшего понимания изобретения оно поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображена общая схема по изобретению объемного ЛСЭ. На фиг. 2 изображено исполнение объемной электродинамической системы в виде двух дифракционных решеток и ленточного электронного пучка, распространяющегося вдоль электродинамической системы. На фиг. 3 изображен вид сверху дифракционной решетки. Изображена геометрия проводки пучка над дифракционной решеткой с наклонными штрихами при произвольном угле между штрихамии скоростью электронов . На фиг. 4 изображен ОЛСЭ, выполненный из ленточных электронных пучков, распространяющихся сквозь двумерную электродинамическую систему, образованную натянутыми нитевидными стержнями. На фиг. 5 изображен ОЛСЭ, выполненный из цилиндрических пучков электронов, распространяющихся сквозь электродинамическую систему в виде пространственной структуры,собранной из нитей. На фиг. 6 изображен ОЛСЭ, выполненный на коаксиально расположенных пучках электронов, распространяющихся сквозь электродинамическую систему в виде концентрических трубчатых дифракционных решеток. На фиг. 7 изображена трубчатая дифракционная решетка с двумя системами периодических неоднородностей. На фиг. 8 изображена схема динамического виглера. На фиг. 9 изображен ОЛСЭ с установленным дополнительным ондулятором и устройством для ввода электромагнитного сигнала. На фиг. 10 показано расположение магнитов ондулятора. На фиг. 11 изображена схема взаимного расположения вектора обратной решетки относительно волновых векторов излучения в геометрии двухволновой дифракции Лауэ. На фиг. 12 изображен вид дисперсионных кривых зависимости волновых чисел от параметра отклонения Брэгга для случая двухволновой дифракции Лауэ. На фиг. 13 изображена схема взаимного расположения вектора обратной решетки относительно волновых векторов излучения в геометрии двухволновой дифракции Брэгга. На фиг. 14 изображен вид дисперсионных кривых зависимости волновых чисел от параметра отклонения Брэгга для случая двухволновой дифракции Брэгга. На фиг. 15 изображена схема взаимного расположения векторов обратной решетки относительно волновых векторов излучения в геометрии трехволновой дифракции Лауэ. На фиг. 16 изображен вид дисперсионных кривых зависимости волновых числа от пара 9 метра отклонения Брэгга для случая трехволновой дифракции Лауэ. На фиг. 17 изображена схема взаимного расположения векторов обратной решетки относительно волновых векторов излучения в геометрии трехволновой дифракции Брэгг-Лауэ. На фиг. 18 изображен вид дисперсионных кривых зависимости волновых числа от параметра отклонения Брэгга для случая трехволновой дифракции Брэгг-Лауэ. Способ поясняют на примере работы лазера на свободных электронах, включающего пространственно модулированную электродинамическую систему 1, источник 2 электронного пучка 3, расположенный вне электродинамической системы 1, устройство 4 для пространственной ориентации электродинамической системы 1 относительно пучка 3 электронов, направляющее устройство 5 для проводки электронного пучка 3 относительно электродинамической системы 1. Пространственно модулированная электродинамическая система выполнена, ориентированной заданным законом образом относительно вектора и скорости пучка 3 электронов, так что ее ориентация и пространственная периодичность определяются условием максимальности инкремента неустойчивости, являющимся решением уравнения- частота излучения электромагнитной волны,- волновой вектор электромагнитной волны,- вектор скорости электронного пучка,L - лэнгмюровская частота электронного пучка,g - коэффициент связи электромагнитной волны с электронным пучком,D - дисперсионное уравнение, связывающее между собой частотуи волновой вектор k в электродинамической системе в отсутствии электронного пучка,= + , - векторы обратной решетки,определяемые ориентацией и структурой решетки,d1, d2, d3 - периоды пространственной решетки, ki, li, mi - целые числа, i=1s+1, где s+1- количество волн, принимающих участие в процессе дифракции, - частота осцилляторного движения электрона во внешнем поле (если внешнее поле отсутствует, то= 0). Вышеприведенные математические зависимости выведены расчетным путем и подтверждены экспериментально при материализации лазера. В лазере на свободных электронах электродинамическая система 1 выполнена по фиг. 2, по меньшей мере, с одним каналом 6 выбран 004665 10 ного поперечного сечения для проводки электронного пучка 3 через канал 6, что исключает электроэрозионное воздействие пучка на электродинамическую систему. Электродинамическая система 1 снабжена устройством 4 для изменения геометрического положения электродинамической системы 1 и электронного пучка 3 друг относительно друга для перестройки длины волны излучения. В зависимости от требований к техникоэкономическим характеристикам в лазере по фиг. 1-10 электродинамическая система 1 может быть выполнена из диэлектрического материала, например, кремния, окиси алюминия, сапфира и т.д., а так же может быть электродинамическая система 1 выполнена целиком из электропроводящего материала, например, из тантала, молибдена, серебра и т.д. для расширения диапазона режимов работы и физикотехнических характеристик лазера. Лазер на свободных электронах снабжен,по меньшей мере, двумя источниками электронного пучка, с возможностью генерации пространственно разнесенных электронных пучков 13,15,17 преимущественно, распространяющихся параллельно и/или концентрично расположенных друг относительно друга. Для требуемого сочетания электродинамических свойств электродинамическая система 1 может быть выполнена целиком из полупроводникового материала, например, арсенида галлия и т.п. Для расширения технологических возможностей электродинамическая система 1 может быть выполнена из композитного материала на основе диэлектриков и/или проводников и/или полупроводников. Электродинамическая система 1 по фиг. 3 может быть так же выполнена в виде набора периодически расположенных в пространстве отдельных элементов 7 для обеспечения требуемых электродинамических свойства системы. По меньшей мере, один элемент 7 упомянутой системы 1 может быть выполнен в форме дифракционной решетки. По фиг. 2 - две решетки 8, 9 для задания требуемых резонансных свойств электродинамической системы. По меньшей мере, один упомянутый элемент 7 системы выполнен в виде магнитостатического вигглера (фиг. 9, 10) для расширения диапазона режимов работы и физикотехнических характеристик лазера. По меньшей мере, один упомянутый элемент 7 системы выполнен в виде электростатического вигглера (фиг. 9,10) для расширения диапазона режимов работы и физикотехнических характеристик лазера. Лазер по фиг. 4-6 снабжен, по меньшей мере, двумя источниками электронного пучка 2,с возможностью генерации пространственно разнесенных электронных пучков 13, преиму 11 щественно, распространяющихся параллельно и/или концентрично расположенных друг относительно друга. Такая конструкция лазера обеспечивает одновременное взаимодействие этих электронных пучков с общей электромагнитной волной, возбуждаемой в электродинамической системе, что позволяет генерировать пучки электромагнитного излучения широкого поперечного сечения с высокой суммарной мощностью. Для традиционных лазеров на свободных электронах такое решение требует создания параллельного включения лазеров или проводки электронного пучка большого поперечного сечения, что является задачей дополнительного творческого замысла. В лазере по фиг. 1 на свободных электронах, устройство 5 для проводки пучка 3 снабжено устройством 10 для поворота вектора и скорости упомянутого пучка 3 относительно выбранного пространственного положения упомянутой системы 1. Сквозь электродинамическую систему 1 распространяется электронный пучок 3, инжектируемый источником 2 электронного пучка 3. Вектор скорости электронного пучка 3 определяется ведущим магнитным полем в зоне распространения пучка 3, создаваемым магнитной системой 5. Электродинамическая система 1 может быть выполнена по фиг. 2 в виде двух параллельно расположенных дифракционных решеток 8, 9 со штрихами 11, ориентированными под скорости определенным угломк вектору пучка 3 электронов, а пучок 3 - иметь плоскую форму 12, как показано на фиг. 3. Кроме того, в ОЛСЭ электродинамическая система фиг. 4 может быть выполнена например в виде решетки из стержней 7 (металлических,диэлектрических, полупроводниковых), расстояние А между которыми и пространственное положениеих, относительно вектора и скорости пучка электронов определяются условиями синхронизма и условиями Брэгга, а пучок 3 электронов создают в виде набора плоских пучков 13 по фиг. 4, распространяющихся параллельно друг другу сквозь эту решетку из стержней 7. Такой вариант выполнения электродинамической системы и пучка электронов изображен на фиг. 4. Кроме того, в таком ОЛСЭ электродинамическая система может быть выполнена например в виде натянутых нитей 14, фиг. 5 (металлических, диэлектрических, полупроводниковых, композиционных), образующих пространственно-периодическую решетку из этих нитей, при этом расстояние В между ними и их пространственное положение определяют условиями синхронизма и условиями Брэгга, а пучок электронов создают в виде набора круглых пучков 15, распространяющихся параллельно друг другу сквозь эту решетку. Такой вариант вы 004665 12 полнения электродинамической системы и пучка 15 электронов изображен на фиг. 5. Кроме того в ОЛСЭ электродинамическая система может быть выполнена например в виде концентрических дифракционных решеток 16 по фиг. 6, вложенных одна в другую. Электронный пучок в таком ОЛСЭ создают в виде трубчатых электронных пучков 17, распространяющихся в зазорах С между концентрическими дифракционными решетками 16, как это показано на фиг. 6. На внутренней и(или) наружной поверхностях D по фиг. 6,7 на каждой из дифракционных решеток 16 нанесены штрихи 18 расстояние Е по фиг. 7, между которыми и их пространственное положение относительно вектора и скорости электронов, определяют условиями синхронизма и условиями Брэгга, как это изображено на фиг. 6. На фиг. 8 изображена дифракционная решетка 18 с двумя системами периодических неоднородностей, в которой например, по фиг. 8 две системы штрихов F,G, выполнены в виде пазов, повернутых друг относительно друга под углом в диапазоне 0-180 с различным периодом пазов T1,T2, при этом электродинамическая модулированная система имеет исполнение, по меньшей мере, с двумя периодами пространственной модуляции электромагнитных свойств,имеющими разные вектора обратной решетки,таким образом, что одна система пространственной модуляции, взаимодействуя с электронным пучком 3 создает электромагнитную волну,а вторая система модуляции обеспечивает резонансные условия синхронизма и дифракции этой волны с пучком 3, согласно соотношения(1), что приводит к генерации излучения на более короткой длине волны. Кроме того, в состав электродинамической системы может быть включен ондулятор 19 и устройство для ввода электромагнитного сигнала 21 так, как показано на фиг. 9. Взаимное положение дифракционных решеток 8,9 и ондулятора 19 показано на фиг. 10. Способ генерации электромагнитного излучения, включает создание пространственно модулированной электродинамической системы 1, создание и проводку электронного пучка 3 относительно этой электродинамической системы 1, пространственную ориентацию электродинамической системы 1 относительно пучка 3 электронов, при этом, ориентируют пространственно модулированную электродинамическую систему 1 заданным законом образом относительно вектора и скорости пучка 3 электронов,так чтобы ее ориентация и пространственная периодичность были бы связаны условиями синхронизма и условиями многоволновой дифракции, которые между собой связаны следующим уравнением- частота излучения электромагнитной волны,- волновой вектор электромагнитной волны,- вектор скорости электронного пучка,- набор векторов обратной решетки, определяемый ориентацией и структурой решетки,d1, d2, d3 - периоды пространственной решетки,ki, li, mi - целые числа, i=1s+1, где s+1 количество волн, принимающих участие в процессе дифракции, - частота осцилляторного движения электрона во внешнем поле (если внешнее поле отсутствует, то= 0),при этом пространственно модулированную электродинамическую систему 1 ориентируют до достижения условий s -кратного вырождения дифракционных корней с зависимостью мнимой части решения дисперсионного уравнения от плотности электронного пучка определяемой выражением:gs - коэффициент связи электромагнитной волны с электронным пучком 3. В способе генерируют и проводят относительно пространственно модулированной электродинамической системы 1, по меньшей мере,два электронных пучка 3, преимущественно,распространяющихся параллельно и/или концентрично расположенных друг относительно друга по фиг. 4, 5, 6. В способе в электродинамической системе 1 создают, по меньшей мере, один канал 6 выбранного поперечного сечения для проводки электронного пучка 3 через канал 6, фиг. 2. В способе, в электродинамической системе 1, создают по меньшей мере два периода модуляции, при этом в одном из периодов модуляции (дифракционная решетка 8) возбуждают излучение в электродинамической системе, а в другом периоде модуляции (дифракционная решетка 9) осуществляют распределенную обратную связь в упомянутой электродинамической системе по фиг. 2. В способе электродинамическую систему 1 ориентируют для изменения геометрического положения электродинамической системы 1 относительно вектора и скорости упомянутого пучка 3, фиг. 2. В процессе генерации электромагнитного излучения дополнительно осуществляют модуляцию электродинамических свойств упомянутой системы 1, которую изменяют выбранным образом в объеме упомянутой системы и во времени, согласно фиг. 1, 2. 14 В способе в процессе генерации путем взаимодействия электродинамической системы 1 с одним периодом с электронным пучком 3 возбуждают электромагнитную волну накачки с возможностью взаимодействия электронного пучка 3 с упомянутой волной, осуществляют взаимодействие с системами модуляции, имеющими другой период, преимущественно более короткий и электронным пучком 3 в условиях многоволновой дифракции, для генерации излучения с длиной волны, более короткой, чем период модуляции первой системы, фиг. 8. В способе электродинамическую систему 1 создают в виде набора периодически расположенных в пространстве отдельных элементов 7 для обеспечения требуемых электродинамических свойства системы 1 по фиг. 4, 5, 6. В способе по меньшей мере один элемент 7 упомянутой системы 1 используют в виде дифракционной решетки 8, 9, фиг. 2 - две решетки. В способе по меньшей мере один упомянутый элемент системы 1 используют в виде магнитостатического вигглера 19, фиг. 9, 10. В способе по меньшей мере один упомянутый элемент системы используют в виде электростатического вигглера 19, фиг. 9, 10. В способе вектор и скорости упомянутого пучка 3 поворачивают относительно выбранного пространственного положения упомянутой системы 1, фиг. 1. В геометрии двухволновой дифракции Лауэ [8], изображенной на фиг. 11 проекции волновых векторов k и k на направление нормали к математическим сечениям 20 начала-конца электродинамической системы, ограничивающим электродинамическую систему 1 имеют одинаковый знак. При этом не возникает пересечений дифракционных корней, как следует из фиг. 12, на которой приведены графики решений дисперсионного уравнения , соответствующих этому случаю, в результате закон развития неустойчивости принимает вид, обычный для стандартных ЛСЭ. Но, уже начиная с двухволновой геометрии дифракции Брэгга, изображенной на фиг. 13, когда проекции волновых векторов k и k на направление нормали имеют разные знаки, возникают особые точки - точки пересечения дифракционных корней на графиках зависимости(фиг. 14), в которых изменяется закон развития неустойчивости и темп наработки излучения существенно увеличивается. На фиг. 14 эти точки соответствуют точкам пересечения прямых с кривыми. Дополнительные возможности появляются при многоволновых геометриях дифракции. В частности, из фиг. 17-18, следует, что при трехволновой дифракции в геометриях Брэгг-Брэгг и Брэгг-Лауэ (на фиг. 17-18 приведены геометрия дифракции и дисперсионные кривые для геометрии Брэгг - Лауэ) возможность пересечения 15 корней возникает в большем количестве точек,кроме того, возникает возможность трехкратного вырождения корней. В трехволновой геометрии Лауэ, когда k, k1 и k2 имеют одинаковый знак проекции, (фиг. 15, 16), как и в двухволновой геометрии Лауэ точки пересечения отсутствуют. Ниже приведено описание работы ОЛСЭ. Электромагнитные моды электродинамической системы в виде периодической структуры описываются функциями Блоха: Здесь- функция, периодическая относительно смещения на периоды трансляционной симметрии структуры. Закон дисперсии связывает частоту модыс бесконечным набором волновых векторов где- векторы обратной решетки, определяемые ориентацией и структурой решетки,где d1,d2,d3 - элементарные трансляционные периоды структуры,i1,i2,i3, - произвольные целые числа, каждый набор этих чисел связан с определенной пространственной гармоникой и каждой гармонике отвечает своя фазовая скорость, выражающаяся уравнением: Пространственные гармоники, находящиеся вблизи условия резонансной связи с электронным пучком участвуют в отборе у него энергии.- частота,связанная с движением электронного пучка во внешних полях (ондуляторная, циклотронная,строфотронная и т.д.). При свободном распространении электронного пучка (черенковское,Смит - Парселловское, переходное излучения= 0). Если система состоит из чередования периодических структур с различными периодами и вакуумных промежутков, то результирующая мода электромагнитного излучения определяется в результате сшивки решений на границах раздела. Дальнейшее понимание механизма объемной связи в ОЛСЭ может быть получено при рассмотрении дисперсионных соотношений для электромагнитных мод объемного генератора,т.е. объемного резонатора плюс пронизывающий ее электронный пучок. Символически дисперсионное уравнение, т.е. уравнение, связывающее между собой частотуи волновой вектор k, записывается в форме: здесь, в качестве примера, явно выделены некоторые управляющие параметры системы такие,как поперечный размер периодической структу 004665 16 ры , зазор между разными элементами структуры h. В зависимости от вида системы основными параметрами, описывающими процесс,могут быть другие величины. Как правило, это уравнение является трансцендентным и имеет бесконечное количество решений. Однако в большинстве случаев существенным является только конечное их число. Дисперсионное уравнение содержит волновые векторы объемной структуры . Очевидно, что благодаря этой зависимости можно путем плавного изменения геометрии плавно изменять частоту в широком спектральном диапазоне. Важной особенностью объемного резонатора является существование особых точек дисперсионного уравнения, в которых происходит вырождение корней этого уравнения. Специальный выбор объемной геометрии позволяет согласовать условия вырождения нескольких ветвей с резонансным условием взаимодействия электродинамической системы с электронным пучком. В этих особых точках возникает более сильная связь электромагнитной волны с электронами пучка и процесс бунчировки протекает более эффективно. Групповая скорость волны вблизи этих точек становится малой, и излучение удерживается в области взаимодействия. В зависимости от количества пространственных гармоник эффективно участвующих в процессе формирования моды возможна реализация различных многоволновых схем генерации. На фиг. 11-18 показаны геометрия дифракции и ветви дисперсионной зависимости в двухволновом случае, когда две сильно связанных волны формируют электродинамическую моду. В зависимости от геометрии системы даже в этом простом случае возможны различные варианты: 1) ветви не пересекаются и фазовая скона любой рость, соответствующая вектору точке одной из ветвей всегда больше, а на другой всегда меньше фазовой скорости, отвечающей усредненной диэлектрической восприимчивости (геометрия Лауэ, обе волны направлены в одном направлении относительно оси системы); 2) существуют точки пересечения ветвей(геометрия Брэгга, волны распространяются в разных направлениях относительно оси системы). В случае, когда в формировании моды участвует большее количество пространственных гармоник, возникает более сложная ситуация,которая предоставляет большие возможности для выбора оптимальных условий взаимодействия. В качестве еще одного примера на фиг. 1318 приведены геометрия дифракции и решения дисперсионного уравнения в трехволновом случае в различных геометриях (Лауэ, Брэгга, ЛауэБрэгга). При пролете электронного пучка через пространственно периодическую структуру ко 17 герентное излучение возникает на частотах, отвечающих резонансному взаимодействию электронов с электромагнитной волной. В случае с объемным ЛСЭ (ОЛСЭ) благодаря объемному характеру возникают разнообразные возможности для плавной и быстрой перестройки генерируемой длины волны. В изобретении реализована возможность перестройки частоты: 1) за счет плавного изменения геометрии системы путем поворота ее элементов; 2) за счет поворота скорости электронного пучка относительно решетки; 3) за счет плавной перестройки свойств электродинамической структуры во времени; 4) за счет изменения энергии электронного пучка. Спектр излучаемых частот определяется методом слабосвязанных волн [9] путем совместного решения дисперсионного уравнения,описывающего электродинамические моды резонатора и резонансного условия взаимодействия электронов с электромагнитной волной: Эти выражения описывают спектр когерентного излучения в пространственно периодической структуре в общем случае - учитывается возможность черенковского (квазичеренковского) (=0, i=0), переходного (=0, i0),ондуляторного или строфотронного и т.д. Для эффективного обмена энергией между электронным пучком и электромагнитной волной, как упоминалось выше, необходимо, чтобы параметры системы находились в области соответствующего резонанса (черенковского, ондуляторного, циклотронного и т.д.). В случае объемной распределенной системы экспериментально выявлены особые точки режимов ОЛСЭ на области значений частот, волновых векторов и управляющих параметров (в число которых входят параметры, определяющие геометрию электродинамической системы, энергия электронов и т.д.). В этих особых точках сразу несколько электромагнитных мод удовлетворяют резонансным условиям одновременно. В результате, в области параметров вблизи особых точек, электронный пучок более интенсивно взаимодействует с электромагнитной волной. На линейной стадии генерации излучения этот процесс взаимодействия описывается дисперсионным уравнением: Здесь g - безразмерный коэффициент связи электронного пучка с электромагнитной волной,L2 =4e2n/m - квадрат лэнгмюровской частоты электронного пучка, n -плотность электронного пучка. Представим функцию D в виде (kzkzi(,(kz-kz2(,(kz-kzs+1(,/ks,где 18 тронов в s+1 - волновом случае. Тогда, при параметрах системы, соответствующих вырождению корней, в приближении слабосвязанных мод получается следующая зависимость мнимой части продольного модового числа (инкремента неустойчивости) от плотности электронного пучка:. В условиях, когда ленгмюровская частота значительно меньше частоты излучения(Im kz - инкремент вдали от условий вырождения). В соответствующих особых точках процесс генерации развивается значительно эффективнее. При выполнении указанных условий возникает объемная распределенная обратная связь излучения, формирующегося в системе периодическая структура + пучок, на электронный пучок. В ОЛСЭ порог генерации достигается при более низких значениях тока, а при заданном токе - при меньших размерах генератора. В частности, стартовый ток генерации пропорционален,где- безразмерный параметр, описывающий модуляцию электродинамических свойств периодической системы, L -длина области взаимодействия вдоль направления скорости электронного пучка. В результате, в условиях развитой динамической дифракции kL1[8] стартовое значение тока в области вырождения существенно меньше (или при одном и том же значении тока генератор может быть более компактным). Для обеспечения перестройки характеристик излучения при работе такого лазера, пространственное расположение электродинамической системы относительно направления распространения пучка электронов, характеристики пространственной модуляции электродинамической системы и направление распространения пучка относительно расположения электродинамической системы могут изменяться с помощью устройства проводки электронного пучка,устройства изменения пространственной ориентации электродинамической системы и устройств изменения характеристик пространственной модуляции электродинамической системы, при соблюдении условий многоволновой дифракции Брэгга, как это указано выше. На чертеже фиг. 1-8 приведены модификации предлагаемого устройства. Оно содержит электродинамическую систему 1 электронный пучок 3, распространяющийся в электродинамической системе, направляющее устройство для проводки электронного пучка 5 (соленоид,создающий продольное, относительно вектора 19 скорости пучка, магнитное поле), источник электронного пучка 2. Электронный пучок 3, создаваемый источником 2, распространяется в направлении, задаваемом направляющим устройством 5 сквозь электродинамическую систему 1. В процессе взаимодействия электромагнитного поля пучка 3 с электродинамической системой 1 создают электромагнитное излучение, взаимодействие которого с электронным пучком 3 создает в пространстве взаимодействия электронного пучка 3 с электродинамической системой 1 распределенную положительную обратную связь, что приводит к повышению коэффициента усиления ЛСЭ и позволяет выделить созданный лазер на свободных электронах в отдельный вид - объемный лазер на свободных электронах. В процессе работы в ОЛСЭ может вводиться внешний электромагнитный сигнал посредством устройства 21 по фиг. 9, что позволяет управлять характеристиками излучения ОЛСЭ, например усиливать входной сигнал - свойство, отсутствующее в прототипе. Проведены испытания промышленного образца, на основе которых были сделаны следующие выводы: обеспечение плавной перестройки длины волны излучения согласно системы уравнения(7), позволяет, по сравнению с прототипом, использовать полезную модель для реализации резонансных процессов в химии, физике, биологии, а так же для создания источников излучения в широком диапазоне частот для задач связи, локации и направленной передачи энергии в широком диапазоне длин волн излучения, т.е расширяет технологические возможности одного и того же лазера по сравнению с суммированием количества известных лазеров; повышение коэффициента усиления при одних и тех же параметрах электронного пучка и понижение порога генерации, согласно (2),позволяет изготавливать более компактные генераторы и усилители излучения. Изобретение обеспечивает объемное взаимодействие поля возбужденной электродинамической структуры с электронным пучком, направленное на увеличение эффективности взаимодействия электронного пучка с полем, и снижает требования к качеству электронного пучка и к системе его проводки и, в конечном итоге,упрощает и удешевляет источник излучения. Кроме того, изобретение, в сравнении с известными аналогами, позволяет управлять в процессе работы частотой генерируемого излучения. Промышленное освоение изобретения ожидается в 2001-2002 г. Источники информации принятые во внимание при экспертизе: 1) Pantell R.H., Soncini G., Puthoff H.E. IEEE J.Quant.Electr., 1968, v.4, p.905.- Phys. Fluids, 1977, v.20, p.709. 4) Русин Ф.С., Богомолов Г.Д. - Письма ЖЭТФ, 1966, т.4, N 6, с.236. 5) Маршалл Т. Лазеры на свободных электронах. Москва, Мир, 338 с. 1987. 6) Smith S.L, Purcell E.M. - Phys.Rev, 1953,v. 91, р. 1069. 7) Unated State Patent N 5,790,585, Gratingcoupling free electron laser apparatus and method,1998. 8) Чжан Ш. Многоволновая дифракция рентгеновских лучей в кристаллах. 1987, Мир,334 с. 9) Ерохин Н.С., Кузнецов М.В., Моисеев С.С. Неравновесные и резонансные процессы в плазменной радиофизике. M. "Наука". 1982. 273 с. 10) Baryshevsky V.G., Batrakov K.G., Dubovskaya I. Ya. Journal.Phys.D, 1991. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Способ генерации электромагнитного излучения, включающий использование пространственно модулированной электродинамической системы, формирование и проводку электронного пучка (3) относительно этой электродинамической системы, отличающийся тем,что пространственно модулированную электродинамическую систему ориентируют относительно вектора скорости пучка электронов таким образом, чтобы ее ориентация и пространственная периодичность были связаны условиями синхронизма и условиями многоволновой дифракции, в соответствии с соотношениями где- частота излучения электромагнитной волны,- волновой вектор электромагнитной волны,- вектор скорости электронного пучка,- векторы обратной решетки, определяемые ориентацией и структурой решетки,- набор векторов обратной решетки,d1, d2, d3 - периоды пространственной решетки,ki, li, mi - целые числа,i=1, , s+1, где s+1 - количество волн, принимающих участие в процессе дифракции, - частота осцилляторного движения электрона во внешнем поле, причем если внешнее поле отсутствует, то= 0,при этом пространственно модулированную электродинамическую систему ориентируют до достижения условий s-кратного вырождения дифракционных корней с зависимостью 21 мнимой части решения дисперсионного уравнения от плотности электронного пучка, определяемой выражением где L - ленгмюровская частота электронного пучка,gs - коэффициент связи электромагнитной волны с электронным пучком. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что создают и проводят относительно пространственно модулированной электродинамической системы по меньшей мере два электронных пучка, преимущественно распространяющихся параллельно и/или концентрично расположенных друг относительно друга. 3. Способ по любому из пп.1, 2, отличающийся тем, что в электродинамической системе создают по меньшей мере один канал выбранного поперечного сечения для проводки электронного пучка через канал. 4. Способ по любому из пп.1, 2, отличающийся тем, что в электродинамической системе создают по меньшей мере два периода модуляции, при этом в одном из периодов модуляции возбуждают излучение в электродинамической системе, а в другом периоде модуляции осуществляют распределенную обратную связь в упомянутой электродинамической системе. 5. Способ по любому из пп.1-5, отличающийся тем, что выбранное положение электродинамической системы изменяют относительно вектора скорости упомянутого пучка электронов в процессе генерации с возможностью изменения частоты излучения путем изменения геометрического положения электродинамической системы. 6. Способ по любому из пп.1-5, отличающийся тем, что дополнительно осуществляют модуляцию электродинамических свойств упомянутой системы, которую изменяют выбранным образом в объеме упомянутой системы и во времени. 7. Способ по любому из пп.1-6, отличающийся тем, что в процессе генерации путем взаимодействия электродинамической системы с несколькими, по меньшей мере двумя, периодами модуляции с электронным пучком на одном периоде модуляции возбуждают электромагнитную волну накачки - динамический вигглер, с возможностью взаимодействия электронного пучка с упомянутой волной, осуществляют взаимодействие с другой системой модуляцииG, имеющей другой период, преимущественно более короткий, и электронным пучком в условиях многоволновой дифракции для генерации излучения с длиной волны, более короткой, чем период модуляции первой системы. 8. Способ по любому из пп.1-7, отличающийся тем, что электродинамическую систему создают в виде набора периодически расположенных в пространстве отдельных элементов 22 для обеспечения требуемых электродинамических свойств системы. 9. Способ по любому из пп.1-8, отличающийся тем, что по меньшей мере один элемент упомянутой системы используют в виде дифракционной решетки. 10. Способ по любому из пп.1-9, отличающийся тем, что по меньшей мере один упомянутый элемент системы используют в виде магнитостатического вигглера. 11. Способ по любому из пп.1-9, отличающийся тем, что по меньшей мере один упомянутый элемент системы используют в виде электростатического вигглера. 12. Способ по любому из пп.1-11, отличающийся тем, что вектор скорости упомянутого пучка поворачивают относительно выбранного пространственного положения упомянутой системы. 13. Способ по любому из пп.1-12, отличающийся тем, что в электродинамическую систему вводят электромагнитный сигнал с несущей частотой, соответствующей частоте, определенной в п.1. 14. Объемный лазер на свободных электронах, включающий пространственно модулированную электродинамическую систему, источник электронного пучка, направляющее устройство для проводки электронного пучка, отличающийся тем, что он снабжен средством для изменения ориентации электродинамической системы относительно вектора скорости пучка электронов и ее пространственной периодичности в соответствии с условием максимальности инкремента неустойчивости, являющимся решением уравнения где- частота излучения электромагнитной волны,- волновой вектор электромагнитной волны,- вектор скорости электронного пучка,L - ленгмюровская частота электронного пучка,g - коэффициент связи электромагнитной волны с электронным пучком,D -дисперсионное уравнение, связывающее между собой частотуи волновой вектор в электродинамической системе в отсутствии электронного пучка,= + , - векторы обратной решетки,определяемые ориентацией и структурой решетки,- набор векторов обратной решетки,di - периоды пространственной решетки,ki, li, mi - целые числа,i = 1, , s+1, где s+1 - количество волн,принимающих участие в процессе дифракции, 23- частота осцилляторного движения электрона во внешнем поле (если внешнее поле отсутствует, то= 0). 15. Объемный лазер на свободных электронах по п.14, отличающийся тем, что модулированная электродинамическая система снабжена средством для изменения пространственной ориентации электродинамической системы относительно пучка электронов в процессе генерации с возможностью изменения частоты излучения путем изменения геометрического положения электродинамической системы. 16. Объемный лазер на свободных электронах по пп.14, 15, отличающийся тем, что он снабжен по меньшей мере двумя источниками электронного пучка, с возможностью генерации пространственно разнесенных электронных пучков, преимущественно распространяющихся параллельно и/или концентрично расположенных друг относительно друга. 17. Объемный лазер на свободных электронах по любому из пп.14-16, отличающийся тем, что электродинамическая система выполнена по меньшей мере с одним каналом выбранного поперечного сечения для проводки электронного пучка через канал. 18. Объемный лазер на свободных электронах по любому из пп.14-17, отличающийся тем, что электродинамическая система выполнена по меньшей мере с двумя периодами модуляции, при этом один из периодов модуляции выполнен для возбуждения излучения в электродинамической системе, а другие периоды модуляции выполнены с возможностью создания распределенной обратной связи в упомянутой электродинамической системе. 19. Объемный лазер на свободных электронах по любому из пп.14-18, отличающийся тем, что электродинамическая модулированная система выполнена по меньшей мере с двумя периодами пространственной модуляции электромагнитных свойств, имеющими разные вектора обратной решетки, таким образом, что одна система пространственной модуляции выполнена с возможностью взаимодействия с электронным пучком для создания электромагнитной волны накачки с возможностью образования динамического вигглера, а другая система модуляции выполнена с возможностью обеспечения резонансных условий синхронизма и дифракции излучения более короткой длины волны с пучком электронов для генерации излучения на более короткой длине волны, чем период модуляции первой системы. 20. Объемный лазер на свободных электронах по любому из пп.14-19, отличающийся тем, что электродинамическая система выполнена из диэлектрического материала. 24 21. Объемный лазер на свободных электронах по любому из пп.14-19, отличающийся тем, что электродинамическая система выполнена целиком из электропроводящего материала. 22. Объемный лазер на свободных электронах по любому из пп.14-19, отличающийся тем, что упомянутая система выполнена целиком из полупроводникового материала. 23. Объемный лазер на свободных электронах по любому из пп.14-19, отличающийся тем, что электродинамическая система выполнена из композитного материала на основе диэлектриков и/или проводников, и/или полупроводников. 24. Объемный лазер на свободных электронах по любому из пп.14-23, отличающийся тем, что электродинамическая система выполнена в виде набора периодически расположенных в пространстве отдельных элементов. 25. Объемный лазер на свободных электронах по любому из пп.14-24, отличающийся тем, что электродинамическая система выполнена в виде набора концентрически расположенных в пространстве отдельных элементов. 26. Объемный лазер на свободных электронах по любому из пп.14-25, отличающийся тем, что по меньшей мере один элемент упомянутой системы выполнен в виде дифракционной решетки. 27. Объемный лазер на свободных электронах по любому из пп.14-26, отличающийся тем, что по меньшей мере один упомянутый элемент системы выполнен в виде магнитостатического вигглера. 28. Объемный лазер на свободных электронах по любому из пп.14-26, отличающийся тем, что по меньшей мере один упомянутый элемент системы выполнен в виде электростатического вигглера. 29. Объемный лазер на свободных электронах по любому из пп.14-28, отличающийся тем, что упомянутое устройство для проводки электронного пучка снабжено средством для поворота вектора скорости упомянутого пучка относительно выбранного пространственного положения упомянутой системы. 30. Объемный лазер на свободных электронах по любому из пп.14-29, отличающийся тем, что упомянутая электродинамическая система снабжена средством для поворота относительно вектора скорости электронного пучка. 31. Объемный лазер на свободных электронах по любому из пп.14-30, отличающийся тем, что упомянутая электродинамическая система снабжена устройством для ввода электромагнитного сигнала.
МПК / Метки
МПК: H01S 3/00, H01J 25/00
Метки: способ, электронах, излучения, способа, свободных, осуществления, лазер, электромагнитного, генерации, объемный
Код ссылки
<a href="https://eas.patents.su/15-4665-sposob-generacii-elektromagnitnogo-izlucheniya-i-obemnyjj-lazer-na-svobodnyh-elektronah-dlya-osushhestvleniya-sposoba.html" rel="bookmark" title="База патентов Евразийского Союза">Способ генерации электромагнитного излучения и объемный лазер на свободных электронах для осуществления способа</a>
Предыдущий патент: Способ и система обеспечения доступа к информации в сети
Следующий патент: Нагревательный кабель с многослойным строением
Случайный патент: Устройство для желатинирования лапши