Резонатор лазера на свободных электронах

3СО 1 ОЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК П 9) (11) 1)5 Н 0125/00 ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕН ТВ АВГОРСКОМУ С(71) Институт при(72) С.Н. Власов,ро(53) 621.385,6 (08 изики АН СССР ов и М.А. Шапи ладно .Г, Ден огдо Су 11 пбг 1 са1 п йезйэпдо 1 а 1. РЬуз; 1983, ч о 1 Со 1 б Тем 1 пд а Таоаде РЕ ейобз 1 п РЬуз 1 са А СВОБОДНЫХ Френе на Вол- длиого реГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯПРИ ГКНТ СССР(56) 1 В, Е 1 аз, 1.С. Оа 1 Оаозз 1 ап-Неггп 1 те Мббе УЧачед 1 цбе Йезопатогз Ар В, р, 229,З,А, чоп 1.ачеп Везц 11 Оцзз 1 орт 1 са 1 Сачту аког а йцс 1 еаг пзтгцеепйз апб М ВезеагсЬ, ч. А, р. 300; (54)РЕЗОНАТОРЛАЗЕРА ЭЛЕКТРОНАХИзобретение относится к технике электровакуумных приборов, а именно к мощным релятивистским электронным приборам-лазерам на свободных электронах(ЛСЭ), коТорые используются для физических экспериментов,Целью изобретения является повышение селективных свойств резонатора путем уменьшения дифракционных потерь рабочей моды, Селекция мод в резонаторе обеспечивается путем использования дисперсионного отражателя, включающего преобразователь волноводной волны в волновой пучок и зеркало, при этом зеркало располагается в зоне Френеля по отношению к излучающей апертуре преобразователя. Продольный размер зоны Фрейеля определяется параметромля С =, где 1 с = -- , А1 Ь 2 л1ны; О - для данного техническ(57) Изобретение относится к мощным релятивистским электронным приборам-лазерам на свободных электронах(ЛСЭ). Цель изобретения - повышение селективных свойств резонатора достигается путем уменьшения дифракционных потерь рабочей моды. Селекция мод в резонаторе обеспечивается путем использования дисперсионного отражателя, включающего преобразователи 4 и 5 волноводной волны в волновой пучок и зеркало; при этом зеркало располагается в зоне Френеля ,ю отношению к излучающей. апертуре преобразователя, В то же время в волноводе 1 , обеспечивается поперечное распределение поля в- виде требуемой валноводной моды, необходимой для получения высокого КПД ЛСЭ в целом. 1 ил,шения характерныи размер поперечного сечения излучающего торца преобразователя ( в осесимметричном случае он равен радиусу а волновода); . - расстояние между излучающим торцом преобразователя и, зеркалом. А именно, зона Френеля определляется соотношением -С2 л.10В основе изобретения лежит возможность существенного снижения дифрякционных потерь на участке резонатора от волновода до отражателя путем формирования на этом участке рабочего типа колебаний в виде волнового пучка, обеспечивая в то же время в волноводе поперечное распределение поля в виде требуемой волноводной моды, необходимой для получения высокого КПД ЛСЭ в целом, Испольэолание волнового пучка позволяет скомпенсировать дифракционную расходимость на уча 1597014стке отражатель-волновод.путем подбора соответствующей геометрии отражателя. При этом дифракционная расхоимость волновых пучков, возбуждаемых паразит- ными колебаниями, не компенсируется, В 5 таком резонаторе добротность рабочих колебаний существенно выше добротности паразитных. Преобразование рабочей волны в волновой пучок (и обратно) осуществляется спомощью преобразователей, конкретнаягеометрия которых (в виде плавно раскрывающегося рупора, отрезка гофрированного волновода,косо срезанного волновода и 15т,п,) определяется рабочим типом колебания в волноводе и конструктивными особен.ностями. Так, например, прииспользовании в качестве рабочих мод круглого вол новотна, имеющих азимутальные индексы, равные 1 - Н 11, Е 11, преобразовательможет быть выполнен в виде отрезка гофрированного волновода,а отражатели - в видесферических зеркал. Для мод высших типовпреобразователем является антенна в виде 25волновода с косым срезом, при этом.отражателем является цилиндрическое зеркалос образующей, параллельной плоскостисреза,На чертеже приведен разрез одной иэ 30возможных конструкций резонатора, который содержит отрезок 1 многоволновоговолновода, два отражателя 2 и 3 и два преобразователя 4 и 5 рабочей волны в волновой пучок. Все элементы резонатора 35установлены соосно, в отражателях 2 и 3выполнены отверстия 6 и 7 для ввода и вывода электронного пучка.Резонатор работает следующим образом. 40При возбуждении резонатора в отрезке1 волновода устанавливается поперечнаяструктура поля, соответствующая рабочейволноводной моде, а на участках между отрезком 1 волновода и отражателями 2 и 3 45устанавливается структура поля в виде волнового пучка, в который преобразуется рабочая мода с помощью преобразователей 4и 5,Вследствие того, что преобразователь и 50соответствующий ему отражатель рассчитаны на выбранную рабочую моду, дифракционные потери для нее минимальны, этимобеспечивается селекция колебаний по поперечному индексу, 55В аксйально-симметричньх резонаторах оценка параметров оснолньи элементов может быть сделана на основетрадиционного лучевого приктлвленияраспространения волноводньх мод, Ниже приведены основные оценочные соотношения для резонатора с преобразователями в виде рупоров с нелинейно увеличивающимися диаметрами. Длинарупора выбирается превышающей величину 2 ас 19 % (а - радиус основного волновода, 6агсэи -1 в -угол Бриллюэна, М =-(-, А-рабочаядли 2 лна волны, ю- нуль функции Бесселя или ее производной, соответствующий волноводной моде), начальный угол Л 1 раскрыва рупора выбирается6, а конечный Лг 06.Отражатели при этом могут быть выполнены в виде вогнутых поверхностей тел вращения, образованных вращением вокруг оси дуги окружности, причем средний угол между касательной к дуге и осью реэонатораблизокк Р =90 - Ж, а радиус кривизны дуги превышает расстояниеот выходного торца преобразователя до отражателя, Внутренний и внешний радиусы отражателя определяются из условия отражения им волнового пучка при заданных дифракционнцх потерях и, как правило, меньший радиус отражателя не превышает (19 Оь - а., а больший - не менее (тц Оь+а.В общем случае расчет параметров преобразователя и отражателя проводится с помощью решения краевой задачи для волнового уравнения при заданном начальном распределении поля в многоволновом воН- новоде,Теоретические расчеты показывают воэможность достижения положительного эффекта при использовании в качестве рабочихволн как с низкими, так и высокими поперечными индексами. Например, для рабочей моды Но 1 круглого волновода преобразователь может быть выполнен в виде нерегулярного волновода, форма поверхности которого описывается параболической зависимостью радиуса Я от продольной ко- ординатыЕЯ- а 1+- ) , гдеа 67 г г)1радиус основного волновода.При длине преобразователя" 0;15 каг, расстоянии до зеркала .0,3 Ьв от излучаю щего торца преобразователя и радиусе кривизны зеркала Ва - 0.8 Ка дифракционные потери за проход по резонатору не превышает 1 (подтверждено экспериментально). что примерно в 5 раз меньше, чем в прототипе.Заказ 3724 Тираж Подписное ЙНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5 водственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул,Гагарина Для рабочей моды Ноз преобразователь может быть выполнен в аиде рупора, радиус которого в зависимости от продольной координаты изменяется по закону й а 1+11 - +) надлине 1 Е 52 22 а 2 аэ0,2 Ма. При условии, что зеркэало установлено на расстоянии ." О,З Ма от излучающей апертуры преобразователя, радиусе кривизны зеркала йэ - 2,15 Ма и угле наклона образующей р" 90 --87,39,7, о Мадифракционные потери на один проход по резонатору не превышают 5 Я. Резонатор лазера на свободных электронах. содержащий отрезок многоволново 5 го волновода, установленный междуотражателями, от л и ч ею щ и йс я тем,что, с целью повышения селективныхсвойств путем повышения дифрвкционнойдобротности рабочей моды, в него введены10 два преоб 1 аэователя волноводной волны вволновой пучок, каждый иэ которых состыкован одним торцом с соответствующимторцом отрезка многоволнового волновоДЯ,15