SU1597014A1

SU1597014A1 - Resonator of free-electron laser

Info

Publication number: SU1597014A1
Application number: SU884428369A
Authority: SU
Inventors: С.Н. Власов; Г.Г. Денисов; М.А. Шапиро
Original assignee: Институт прикладной физики АН СССР
Priority date: 1988-04-04
Filing date: 1988-04-04
Publication date: 1991-09-07

Abstract

Изобретение относитс к мощным рел тивистским электронным приборам-лазерам на свободных электронах (Л СЭ). Цель изобретени ~ повышение селективных свойств резонатора достигаетс путем уменьшени дифракционных потерь рабочей моды. Селекци мод в резонаторе обеспечиваетс путем использовани дисперсионного отражател , включающего преобразователи 4 и 5 волноводной волны в волновой пучок и зеркало. При этом зеркало располагаетс в зоне Френел ,ю отношению к излучающей апертуре преобразовател . В то же врем в волноводе 1 ,обеспечиваетс поперечное распределение пол в- виде требуемой волноводной моды, необходимой дл получени высокого КПД ЛСЭ в целом. 1 ил,^ёИзобретение относите?» к технике электровакуумных приборов, а именно к мощным рел тивистским электронным приборам-лазерам на свободных электронах (Л СЭ). которые используютс дл физических экспериментов.Целью изобретени вл етс повышение селективных свойств резонатора путем уменьшени дифракционных потерь рабочей моды. Селекци мод в резонаторе обеспечиваетс путем использовани дисперсионного отражател , включающего преобразователь волноводной волны е волновой пучок и зеркало, при этом зеркало располагаетсй в зоне Френел по отношению к излучающей апертуре преобразовател . Продольный размер зоны Френел определ етс параметромФренел С =kb^где k =2ЯА - дли-V"""J-.на волны; b - дл данного технического решени характерный размер поперечного сечени излучающего торца преобразопател ( в осесимметричном случае он равен радиусу а волновода); L - расстойние между из- /1учающим торцом преобразовател и зеркалом. А именно, зона Френел определ етс соотношением ^ < С < 2 л.В основе изобретени лежит возможность существенного снижени дифракционных потерь на участке резонатора от волновода до отражател путом формировани на этом участке рабочего типа колебаний в виде волнового пучка, обеспечипо в то же врем в волноводе погтсречное распределение пол в виде требуемой волноводной моды, необходимой дл получени высокого КПД ЛСЭ в целом. 1Лспользопание волнового пучка позвол ет скомпенсиро- ,вать дифракционную расходимость на уча-ПК»ел ю VI оliw>&This invention relates to high-power relativistic electronic devices for free electron lasers (L SE). The aim of the invention is to increase the selective properties of the resonator by reducing the diffraction loss of the operating mode. Mode selection in a resonator is provided by using a dispersive reflector, including transducers 4 and 5 of a waveguide wave into a wave beam and a mirror. In this case, the mirror is located in the Fresnel zone, with respect to the radiating aperture of the converter. At the same time, in waveguide 1, the transverse field distribution is provided in the form of the required waveguide mode, which is necessary for obtaining high efficiency of the FEL as a whole. 1 silt, ^ ёInvention refer? ”To the technique of vacuum devices, namely to powerful relativistic electronic devices-lasers on free electrons (L SE). which are used for physical experiments. The purpose of the invention is to increase the selective properties of the resonator by reducing the diffraction loss of the operating mode. Mode selection in the resonator is provided by using a dispersive reflector that includes a waveguide wavelength converter, a wave beam and a mirror, while the mirror is located in the Fresnel zone with respect to the radiating aperture of the converter. The longitudinal size of the Fresnel zone is determined by the Fresnel parameter C = kb ^ where k = 2AA is wavelength V "" "J-wave; b is for this technical solution the characteristic cross-sectional size of the transducer end face (in the axisymmetric case it is equal to the radius of the waveguide ); L is the distance between the transducer end and the mirror. Namely, the Fresnel zone is determined by the ratio <C <2 C. The basis of the invention is the possibility of significantly reducing the diffraction loss in the cavity section from the waveguide to the reflector by means of and in this area of the working type of oscillations in the form of a wave beam, at the same time, in the waveguide, a smooth field distribution in the form of the required waveguide mode is required to obtain a high FEL efficiency as a whole. 1 Using the wave beam allows to compensate for diffraction divergence -PK »ate VI oliw > &

Description

CtKe отражатель-волновод путем подбора соответствующей геометрии отражател . При этом дифракционна расходимость волновых пучков, возбуждаемых паразитными колебани ми, не компенсируетс , В таком резонаторе добротность рабочих колебаний существенно выше добротности паразитных. Преобразование рабочей волны в волновой пучок (и обратно) осуществл етс с помощью преобразователей, конкретна геометри которых (в виде плавно раскрывающегос рупора, отрезка гофрированного волновода,косо срезанного волновода и т.п.) определ етс рабочим типом колебани в нолноводе и конструктивными особен .КОСТЯМИ. Так, например, при использовании в качестве рабочих мод круглого волновода, имеющих азимутальные индексы , равные I - Ни, Ец, преобразователь может быть выполнен в виде отрезка гофрированного волновода,а отражатели - в виде сферических зеркал. Дл мод высших типов преобразователем вл етс антенна в виде волновода с косым срезом, при этом отражателем вл етс цилиндрическое зеркало с образующей, параллельной плоскости среза. На чертеже приведен разрез одной из возможных конструкций резонатора, который содержит отрезок 1 многоволнового волновода, два отражател 2 и 3 и два преобразовател 4 и 5 рабочей волны в волновой пучок. Все элементы резонатора установлены соосно, в отражател х 2 и 3 выполнены отверсти б и 7 дл ввода и вывода электронного пучка. Резонатор работает следующим образом . При возбуждении резонатора в отрезке 1 волновода устанавливаетс поперечна структура пол , соответствующа рабочей волноводной моде, а на участках между отрезком 1 волновода и отражател ми 2 и 3 устанавливаетс структура пол в виде волнового пучка, в который преобразуетс рабоча мода с помощью преобразователей 4 и 5. Вследствие того, что преобразователь и соответствующий ему отражатель рассчитаны на выбранную рабочую моду, дифракционные потери дл нее минимальны, этим обеспечиваетс селекци колебаний по поперечному индексу. В аксиально-симметричных резонаторах оценка пзрзметров основных элементов может быть сделана на основе традиционного лучевого представлени распространени вопноводммх мод. Ниже риведены основные оценочные соотношени дл резонатора с преобразовател ми в виде рупороь с нелинейно увеличивающимис диаметрами. Длима t рупора выбираетс превышающей величину 2 actg (а радиус основного волновода, вв arcsin -уголБриллюзна, тг А - рабоча длина волны, V- нуль функции Бессел или ее производной, соответствующий волноводной моде), начальный угол AI раскрыва рупора выбираетс %., а конечный А2 . Отражатели при этом могут быть выполнены в виде вогнутых поверхностей тел вращени , образованных вращением вокруг оси дуги окружности, причем средний угол Между касательной к дуге и осью ррзонатора близок к /3 90° - , а радиус кривизны дуг°и превышает рассто ние L от .Выходного торца преобразовател до отражател . Внутренний и внешний радиусы отражател определ ютс из услови отражени им волнового пучка при заданных дифракционных потер х и, как правило, меньший радиус отражател не превышает . а больший - не менее tg % + а . В общем случае расчет параметров преобразовател и отражател проводитс с помощью решени краевой задачи дл волнового уравнени при заданном начальном распределении пол в многоволновом во/1новоде . Теоретические расчеты показывают возможность достижени положительного эффекта при использовании в качестве рабочих волн как с низкими, так и высокими поперечными индексами. Например, дл рабочей моды Hoi круглого волновода преобразователь может быть выполнен в виде , нерегул рного волновода, форма поверхности которого описываетс параболической зависимостью радиуса R от продольной коорд11иаты2:Я а fl 4- ( . гдеаL ka / J радиус основного волновода. При длине преобразовател I ка, рассто нии до зеркала L 0.3 ka от излучаю щего торца преобразовател и радиусе кривизны зеркала R3 0,8 ka дифракционные потери за прохюд по резонатору не превышает 1 % (подтверждено экспериментально), что примерно в 5 раз меньше, чем в прототипе.CtKe reflector-waveguide by selecting the appropriate geometry of the reflector. In this case, the diffraction divergence of wave beams, excited by parasitic oscillations, is not compensated. In such a resonator, the quality of working oscillations is much higher than the parasitic quality factor. The working wave is converted into a wave beam (and vice versa) using transducers, the specific geometry of which (in the form of a smoothly opening horn, a segment of a corrugated waveguide, an obliquely cut waveguide, etc.) is determined by the operating type of oscillation in the blender and structural features. BONES. So, for example, when using as operating modes of a circular waveguide, having azimuthal indices equal to I - Ni, Eq, the converter can be made in the form of a segment of a corrugated waveguide, and the reflectors - in the form of spherical mirrors. For higher types of modes, the converter is an antenna in the form of a waveguide with an oblique cut, and the reflector is a cylindrical mirror with a generator parallel to the cut plane. The drawing shows a section of one of the possible structures of the resonator, which contains a segment 1 of a multiwave waveguide, two reflectors 2 and 3 and two transducers 4 and 5 of the working wave into a wave beam. All elements of the resonator are mounted coaxially, in the reflectors 2 and 3 there are holes b and 7 for the input and output of the electron beam. The resonator works as follows. When the resonator is excited in section 1 of the waveguide, the transverse structure of the field corresponds to the working waveguide mode, and in the sections between segment 1 of the waveguide and reflectors 2 and 3, the field structure is established in the form of a wave beam into which the operating mode 4 and 5 are converted. Due to the fact that the transducer and the corresponding reflector are designed for the chosen working mode, the diffraction losses for it are minimal, this ensures the selection of oscillations by the transverse index. In axially symmetric resonators, an estimation of the basic elements can be made on the basis of the traditional ray representation of the propagation of the waveguide modes. The basic estimates for the resonator with horn converters with non-linearly increasing diameters are shown below. The length t of the horn is chosen to be greater than 2 actg (the radius of the main waveguide, cc arcsin is the Angle of Brilliance, tg A is the working wavelength, V is the zero of the Bessel function or its derivative corresponding to the waveguide mode) final A2. The reflectors can be made in the form of concave surfaces of rotation bodies formed by rotation around the axis of a circular arc, and the average angle between the tangent to the arc and the axis of the rrzonator is close to / 3 90 ° - and the radius of curvature of the arc ° exceeds the distance L from. Output end to transducer to reflector. The inner and outer radii of the reflector are determined from the condition that the wave beam is reflected at given diffraction losses and, as a rule, the smaller radius of the reflector does not exceed. the larger one is no less than tg% + a. In the general case, the calculation of the parameters of the converter and the reflector is carried out by solving the boundary value problem for the wave equation for a given initial distribution of the field in a multi-wave field. Theoretical calculations show the possibility of achieving a positive effect when using as working waves with both low and high transverse indices. For example, for the Hoi working mode of a circular waveguide, the transducer can be made in the form of an irregular waveguide whose surface shape is described by a parabolic dependence of the radius R on the longitudinal coordinate2: Я а fl 4- (. ka, the distance to the mirror L is 0.3 ka from the radiating end of the converter and the radius of curvature of the mirror R3 0.8 ka. The diffraction loss for the resonator does not exceed 1% (confirmed experimentally), which is about 5 times less than in the prototype.

Дл рабочей моды Ноз преобразователь может быть выполнен в виде рупора, радиус которого в зависимости от продольной координаты иг мен етс по законуFor the working mode, the Nose transducer can be designed as a horn, the radius of which varies according to the law depending on the longitudinal coordinate

/5Z Ч2-1/ 5Z P2-1

--

длине II length

1 +111 + 11

( J(J

наon

0,2 ka . При ус/ювии, что зеркало установлено на рассто нии L - 0.3 ka от Излучающей апертуры преобразовател , радиусе кривизны зеркала R3 - 2,15 ka и угле наклона образующей ft- 90% - - -57 , 3° , 0.2 ka. With the usuvium that the mirror is set at a distance of L - 0.3 ka from the Transmitting aperture of the transducer, the radius of curvature of the mirror R3 is 2.15 ka and the angle of inclination of the generator ft is 90% - -57, 3 °,

дифракционные потери на один проход по резонатору не превышают 5%.diffraction losses per pass through the cavity do not exceed 5%.

Claims

Invention Formula

A free-electron laser resonator containing a segment of a multi-wavelength waveguide installed between reflectors, characterized in that, in order to increase the selective properties by increasing the diffraction quality factor of the working mode, two transducers are introduced into it (waveguide wavelength converter, in a wave beam, each of which is joined one end with the corresponding end of a segment of a multiwave waveguide.