CN103378542B

CN103378542B - 大功率连续辐射伽马激光器

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Publication number: CN103378542B
Application number: CN201210127100.1A
Authority: CN
Inventors: 陈紫微; 陈宇星; 陈世浩
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2012-04-27
Filing date: 2012-04-27
Publication date: 2018-06-05
Anticipated expiration: 2032-04-27
Also published as: CN103378542A

Abstract

一种大功率连续辐射伽马激光器，属物理仪器、能源、军工领域。其特征是，在自由电子激光器中，在与电子束相反的方向上，对着电子束输入高功率普通激光，入射电子束的速度和入射的激光的波长要满足(1)‑(2)式；对于大功率伽马激光器，入射电子的数密度ρ_e满足ρ_e≥ρ_e0，ρ_e0满足(6)式；电子束通过的管道是圆筒形的，不仅仅分布有周期排列的扭摆磁铁，而且与电源正极相连。这种激光器能够更容易地实现可控核聚变，解决能源问题；在科研、工业和兵器领域有重要的不可代替的作用。

Description

大功率连续辐射伽马激光器

技术领域：本发明属物理仪器、能源、军工领域。

背景技术：伽马(γ)射线是指波长短于0.2埃(2×10^-11m)的电磁波。γ射线的波长比X射线还要短，因此很难产生，γ激光就更难产生。在理论上，传统自由电子激光器可以产生γ激光，但实际上很难做到。例如，自放大自发辐射(Self Amplified SpontaneousEmission，SASE)自由电子激光器在高频时，其频率和功率涨落很大，相干性不好；高增益高次谐波放大(High Gain High Harmonic Generation，HGHG)自由电子激光器，由于其种子激光频率受限，很难实现γ激光。为得到X激光，SASE激光器采用自种子方案，HGHG可以采用级联HGHG激光器，但新的问题(例如，设备复杂庞大)又出现了。因此，迄今没有大功率连续辐射伽马激光器。

γ射线激光器是很重要的。对于科学研究，有不可代替的重要作用。例如，单光子50MeV以上的γ射线激光可以用来识别原子核结构。由此，人们对于物质结构就能有更深刻的认识；如果大功率连续辐射γ射线激光器能被制造出来，就可以更容易地实现可控核聚变，这样能源问题就可以解决。此外，在工业、医疗、国防领域都有极其重要的作用。因此，研究制作γ射线激光是极其必要的。

基于低温等离子体的特征，我们提出了一种伽马激光器(I型)。这种伽马激光器的波长不是可调的。

本发明提出一种大功率连续辐射伽马激光器的制作方案，其波长是可调的，功率可以更大。

发明内容：这种激光器是在传统自由电子激光器基础上发展而来.在传统自由电子激光器中，严格周期排列的扭摆磁铁和高能电子束是必要的，也是各种自由电子激光器的共同特点，本发明也具有这两个特征。有的自由电子激光器，如SASE激光器不需要种子激光，自放大以实现激光输出；有的自由电子激光器，如HGHG激光器需要种子激光，种子激光和高能电子束同方向输入激光器中。

另一种传统激光器是通过原子跃迁和谐振腔得到激光，其频率低于X光，单色性很好，其功率可大可小。我们称这种激光为普通激光，当其功率很高时(例如，高于1000瓦)，称为高功率普通激光。

大功率连续辐射伽马激光器的制作方案如下：

一种大功率连续辐射伽马激光器，其特征是，在自由电子激光器中，在与电子束相反的方向上，对着电子束输入高功率普通激光，入射电子束的速度和入射激光的波长要满足(1)-(2)式(见下文)。

这种激光器的第二个特征是，对于大功率伽马激光器，入射电子的数密度ρ_e满足ρ_e≥ρ_e0，ρ_e0满足(6)式(见下文)。

这种激光器的第三个特征是，电子束通过的真空管道由导体制作，是圆筒形的，管道的壁上周期性地排列有极性相反的扭摆磁铁，管道的壁与直流电源的正极相连。

这种激光器的第四个特征是，自由电子激光器中，输入速度为v的电子束时，输入与电子束方向相反的高功率普通激光及与电子束方向相同的普通激光。

这种激光器产生γ激光的机理如下：

入射的、与电子束方向相反的激光光子将与电子发生弹性散射。由于电子与这些光子的相对动量很大，散射角θ＝π时的微分散射截面是主要的。对于出射的激光，也只有θ＝π的散射光，即背散射光才是重要的。

设扭摆磁铁的周期是λ_W，被入射电子反射后的光、即背散射光、亦即出射激光的波长是λ_f，与λ_f相应的圆频率是ω_f，与λ_f相应的圆频率是ω_f，电子束的速度是v，β＝v/c，ω是与电子束方向相反的普通激光的频率，可以调整电子束的速度v和ω使其满足

这时，由于反射光和扭摆磁铁的周期磁场对电子的共同调制作用，电子束中的电子将发生周期性的群聚。背散射光的位相和波长都是相同的，因此这些光振幅将叠加加强，形成激光。由(2)式可见，只要电子束的速度v足够大，输出激光的频率就足够大。由(1)-(2)式可见，适当调整入射电子束的速度和入射激光频率ω，可以得到另外频率的激光，即，输出激光的频率是连续可调的。

为了增强出射激光的功率，入射电子束的数密度也要满足一定的条件。这可由一个反向入射的光子在通过扭摆磁场的过程中都能够被反射的条件确定。设分别是反向入射激光散射前和散射后的极化矢量，的夹角为入射电子是非极化的，也不测量末态电子的自旋，Ω是散射后动量为的方向角。在电子动量的参考系中，电子与光子的微分散射截面是

在实验室参考系中，

α是散射后光子动量与入射电子动量的夹角，对于背散射光，α＝0，(4)简化为

设安装周期扭摆磁场的管道长度为则这也是电子与反向入射的光子与电子对撞区间的长度。当入射电子数密度ρ_e≥ρ_e0，ρ_e0满足

时，反向入射的光子都可能被高速电子沿入射方向反射回去。只要电子速度足够大，这些反射回去的光子都是γ光子。由于这样的反射光与扭摆磁场对电子的共同调制作用，条件(1)和(6)被满足，出射光就是γ激光。当然，如果不需要输出很大功率的激光，(6)也不必满足。

由于入射电子束通过的真空管道由导体制作、是圆筒形的，而且与直流电源的正极相连，因此管道壁上电位处处相同，管道内部电位处处相等。这样，在管道内，对电子就没有静电场力的作用。然而，由于电子与反向入射光子的散射，某些电子会偏离入射轴而打到管道壁上，在这种情况下，由于管道壁带正电，打到管道壁上的电子将被吸收。

自由电子激光器中，在输入电子束及与电子束方向相反的高功率普通激光时，输入与电子束方向相同的普通激光。在这种情况下，扭摆磁铁的周期磁场和与电子束方向相同入射的普通激光共同对电子束作用，形成一种调制，使得电子束群聚，形成周期排列的电子微团簇；与电子束方向相反入射的普通激光在这些电子微团上的散射，就如同在运动着的晶体光栅上的散射，在满足条件(1)-(2)时，散射波的位相、波长都相同，因此相干加强。这样，入射的普通激光，反射后就变成了高频激光。

散射后，电子速度减小。这样的电子在与反向入射激光散射时，散射光的频率必然小于(2)式决定的频率。因此出射光不是单一频率的光。但是，频率由(2)式决定的激光必然是主要的。可以通过滤波器，去掉其它频率的光，只保留由(2)式决定的激光。

由以上所述的这种激光器的结构和输出激光的机理可知，激光可以连续输出。可见，按本发明，能够制作成大功率连续辐射伽马激光器。

容易看出，由本方案可以产生大功率连续辐射的伽马激光，但也可以产生其它波段的激光，如可见或紫外激光。只是在这种情况下，这种方案不是必不可少的。

具体实施方式：取扭摆磁铁的周期λ_W＝1.58cm；取氦氖激光中波长λ＝632.8nm(相应的频率是4.74×10¹⁴Hz/s)的激光作为反向入射激光；调整入射电子的能量，使其为511MeV(相应的β＝0.9999995，γ_e＝1000)。考虑到m_ec²＝0.511MeV，由(1)、(2)可得

v_f＝1.89×10²¹Hz/s，λ_f＝1.58×10^-13m，E_f＝1.24MeV， (7)

式中v_f，λ_f，E_f，分别是出射光子的频率、波长和能量。

取考虑到r₀＝2.8×10^-15m，由以上参数及(6)得到，当电子数密度ρ_e≥1.59×10²¹/m³，反向入射的光子都可能被高速电子沿入射方向反射回来。由(7)可见，这些反射回来的光子都是γ光子。由于满足(1)，背散射光是激光。

以上所取的参数都是能够实现的，因此，大功率连续辐射伽马激光器能够用本方案制成。

Claims

1.一种大功率连续辐射伽马激光器，其特征是，在自由电子激光器中，在与速度为v的电子束相反的方向上，对着电子束输入频率为ω的高功率普通激光，入射电子束的速度v和入射激光的波长λ＝c/ω要满足

<mrow> <mfrac> <msub> <mi>&lambda;</mi> <mi>W</mi> </msub> <mi>v</mi> </mfrac> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>&lambda;</mi> <mi>W</mi> </msub> <mo>+</mo> <msub> <mi>n&lambda;</mi> <mi>f</mi> </msub> </mrow> <mi>c</mi> </mfrac> <mo>,</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>

式中，λ_W是扭摆磁场的周期，β＝v/c，c是光速，n＝1，2，3…，ω是与电子束方向相反的入射普通激光频率，λ_f与ω_f分别是出射激光的波长与频率，是普朗克常数，m是电子质量；

对于大功率伽马激光器，入射电子的数密度ρ_e满足ρ_e≥ρ_e0，ρ_e0满足

<mrow> <msub> <mi>&rho;</mi> <mrow> <mi>e</mi> <mn>0</mn> </mrow> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>+</mo> <mi>&beta;</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mi>l</mi> <msub> <mrow> <mo>(</mo> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>d&sigma;</mi> <mrow> <msup> <mi>&lambda;&lambda;</mi> <mo>&prime;</mo> </msup> </mrow> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>&alpha;</mi> <mo>=</mo> <mn>0</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> <mrow> <mi>d</mi> <mi>&Omega;</mi> </mrow> </mfrac> <mo>)</mo> </mrow> <mrow> <mi>l</mi> <mi>a</mi> <mi>b</mi> </mrow> </msub> <mo>=</mo> <msub> <mi>&rho;</mi> <mrow> <mi>e</mi> <mn>0</mn> </mrow> </msub> <mfrac> <mrow> <mi>l</mi> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>+</mo> <mi>&beta;</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mn>2</mn> </msup> </mrow> <mrow> <mn>1</mn> <mo>-</mo> <mi>&beta;</mi> </mrow> </mfrac> <msub> <mrow> <mo>(</mo> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>d&sigma;</mi> <mrow> <msup> <mi>&lambda;&lambda;</mi> <mo>&prime;</mo> </msup> </mrow> </msub> </mrow> <mrow> <mi>d</mi> <mi>&Omega;</mi> </mrow> </mfrac> <mo>)</mo> </mrow> <mrow> <mi>p</mi> <mo>=</mo> <mn>0</mn> </mrow> </msub> <mo>=</mo> <mn>1</mn> <mo>,</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>3</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>

式中，为周期扭摆磁场的管道长度，也是电子与反向入射光子对撞区间的长度；Ω是散射后动量为的方向角，α是散射后光子动量与入射电子动量的夹角，λ、λ′分别是极化矢量分别为的入射光和散射光的波长，左边含的括弧一项是在实验室参照系电子-光子背散射的微分散射截面；右边含的括弧一项是在电子动量p＝0参照系电子-光子背散射的微分散射截面；

电子束通过的真空管道由导体制作，是圆筒形的，管道的壁上周期性地排列有极性相反的扭摆磁铁，管道的壁与直流电源的正极相连。

2.权利要求1所述的一种大功率连续辐射伽马激光器，其特征是，自由电子激光器中，输入速度为v的电子束时，输入与电子束方向相反的高功率普通激光及与电子束方向相同的普通激光。