Математическое моделирование объемных лазеров на свободных электронах. Сравнение с результатами экспериментальных исследований
2025-03-11 10:59:28
Теоретические и экспериментальные исследования каждого нового типа электронных вакуумных приборов (усилителей и генераторов), функционирующих в диапазонах спектра от микроволнового до рентгеновского, имеют огромное значение для науки и практики. В [1] приведен краткий обзор физических явлений в таких приборах – лампах и генераторах бегущей волны, обратной волны, лазерах и мазерах на свободных электронах с демонстрацией многообразия таких приборов при их очевидной общности в используемых физических принципах, а также сложной нелинейной динамики их функционирования. Относительно новый тип вакуумных электронных приборов, появившийся в середине 80-х годов XX века [2] – объемные лазеры на свободных электронах (ОЛСЭ). Они являются «близкими родственниками» указанных выше приборов, но и имеют принципиальные отличия в физических принципах функционирования. Эти принципы справедливы для всех частотных диапазонов – от рентгеновского до субмиллиметрового (терагерцового). Линейный режим работы ОЛСЭ изучен достаточно хорошо в конце XX века, но он быстро сменяется нелинейной стадией.
Математические модели, описывающие нелинейную стадию работы ОЛСЭ, также как других вакуумных электронных приборов, представляют собой системы многомерных нелинейных дифференциальных уравнений в частных производных. Понятно, что их для решения должны быть использованы методы математического моделирования, поскольку аналитически получить решения таких систем уравнений невозможно.
Экспериментальные исследования ОЛСЭ проводились в Институте ядерных проблем БГУ, в частности в [3–5] – в сантиметровом и миллиметровом диапазонах длин волн.
В докладе приведены результаты математического моделирования установок ОЛСЭ с помощью комплекса программ VOLC (Volume Code), предназначенного для экспресс-моделирования работы различных типов ОЛСЭ. VOLC позволяет моделировать сложную трехмерную динамику электронного пучка и распространение электромагнитных волн в объемном резонаторе ОЛСЭ. В частности, исследованы пороги генерации установок ОЛСЭ. Полученные численные результаты имеют разумное согласие с теоретическими и экспериментальными физическими результатами.
Литература
1. С. Н. Сытова. Нелинейная динамика излучения сильноточных пучков заряженных частиц в пространственно-периодических структурах // Журнал Белорусского государственного университета. Физика. – 2021, №1.
2. V. G. Baryshevsky, I. D. Feranchuk. Parametric beam instability of relativistic charged particles in a crystal// Physics Letters A. – 1984. – Vol. 102. – P. 141–144.
3. V. G. Baryshevsky et al. First lasing of a volume FEL (VFEL) at a length range λ~4-6 mm // Nucl. Instr. Meth. Phys. Res. A – 2002. – Vol. A483. – P. 21–24.
4. V. G. Baryshevsky et al. Experimental Study of Volume Free Electron Laser using a "grid" photonic crystal with variable period // Proc.29th Int. Free Electron Laser Conference. – Novosibirsk, 2007. – P. 496–498.
5. V. G. Baryshevsky et al. Volume free electron laser with a ”grid” photonic crystal with variable period: theory and experiment // Proc. 31st Int. Free Electron Laser Conference. – Liverpool, 2009. – P. 134–137.