Открытие сотрудниками НИИ ЯП нового закона неустойчивости релятивистских пучков электронов в пространственно-периодических редах и обоснование принципиальной возможности создания нового класса генераторов электромагнитного излучения - объемных лазеров на свободных электронах (ОЛСЭ) привело к созданию нового направления ядерной физики, имеющего большое народнохозяйственное значение. В 2001 году впервые в мире была создана экспериментальная установка ОЛСЭ.

На основе ОЛСЭ могут быть разработаны генераторы электромагнитного излучения в микроволновом диапазоне, необходимые в частности, для создания нового поколения ускорителей элементарных частиц и гамма-гамма коллайдеров, нового поколения сверхдальних локаторов, систем передачи электромагнитной энергии на большие расстояния, систем нагрева термоядерной плазмы, высокостабильных передатчиков для систем связи в СВЧ диапазоне, нового поколения томографов (для применения в медицине).

Генерация в ЛСЭ возбуждается различными механизмами спонтанного излучения: магнито-тормозным излучением в ондуляторе, излучением Смит-Парсела и Черенкова, излучением в лазерной волне. Но независимо от того, какой именно вид спонтанного излучения применяется в конкретном ЛСЭ, все приборы этого типа используют обратную связь, создаваемую или двумя параллельными зеркалами, расположенными на краях рабочей области, или одномерной дифракционной решеткой, в которой испускаемая и дифрагированная (отраженная) волны распространяются вдоль электронного пучка (одномерная распределенная обратная связь).

Установка 2001 г.
Установка 2003 г.

Преимущества объемного ЛСЭ:

1.Объемный ЛСЭ позволяет перестраивать частоту излучения поворотом решетки;
2.Более эффективное взаимодействие электромагнитной волны с электронным пучком, благодаря новому закону неустойчивости, позволяет резко снизить плотности тока электронных пучков, необходимые для достижения порога генерации и уменьшить размеры зоны генерации;
3.Благодаря возможности использования широких электронных пучков и дифракционных решеток больших объемов, ОЛСЭ позволяет получать на многие порядки большие мощности излучения благодаря отсутствию электрических пробоев.
4.ОЛСЭ позволяет генерировать излучение одновременно на нескольких частотах.

Отличительной особенностью ОЛСЭ является использование в качестве объемных резонаторов одно-, двух- и трехмерных дифракционных решеток, обеспечивающих объемную распределенную обратную связь и, как следствие, возможность плавной перестройки частоты в широком диапазоне частот, получения высокой мощности излучения и генерации излучения одновременно на нескольких частотах.

Двух- или трехмерные дифракционные решетки позволяют распределить взаимодействие по большому объему и снизить ограничения на мощность в резонаторе

Сеточные резонаторы ( V.G.Baryshevsky et al. Proc. IRMMW-THz 2010; Proc FEL2010 ):

Фольговые резонаторы ( V.G.Baryshevsky et al. Proc. IRMMW-THz 2010; Proc FEL2010 ):

Результаты первых экспериментов по генерации ОЛСЭ были представлены на конференции FEL2001:

Научный руководитель - профессор Владимир Григорьевич Барышевский

Литература

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.
В.Г. Барышевский. Неустойчивость волн в периодической среде. Доклады АН БССР. 1987. Т. XXXI, № 12. C. 1089–1092
В.Г. Барышевский. Поверхностное параметрическое излучение релятивистских частиц. Доклады АН СССР. 1988. Т. 299, № 6. С. 1363–1366
В.Г. Барышевский, И. Я. Дубовская, И. Д. Феранчук. Черенковская неустойчивость пучка заряженных частиц, проходящего через трехмерную пространственно-периодическую среду. Вести АН БССР. Сер. физ.-мат. н. 1988, № 1. С.92–97.
V. G. Baryshevsky, K. G. Batrakov, I. Ya. Dubovskaya. Parametric (quasi-Cerenkov) X-ray free electron lasers. J. Physics D: Appl. Physics. 1991. Vol. 24. P. 1250–1257.
V. G. Baryshevsky, K. G. Batrakov, I. Ya. Dubovskaya. Surface quasi-Cherenkov free-electron laser. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research. 1994. Vol. A 341. P. 274–276.
V. G. Baryshevsky, K. G. Batrakov, I. Ya. Dubovskaya. Formation of Distributed Feedback in an FEL under Multiple-Wave Diffraction. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A. 1995. Vol. A358. P. 493–496.
V. G. Baryshevsky. Volume free electron lasers. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A. 2000. Vol.445(1-3). P. 281–283.
V. G. Baryshevsky, A. A. Gurinovich. Spontaneous and induced parametric and Smith-Purcell radiation from electrons moving in a photonic crystal built from the metallic threads. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research. 2006. Vol. B252. P. 92–101.
V. G. Baryshevsky et al. First lasing of a volume FEL (VFEL) at a length range λ~4-6 mm. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research. 2002. Vol. A483. P. 21–24.
V. G. Baryshevsky et al. Experimental observation of radiation frequency tun-ing in "OLSE-10" prototype of volume free electron laser. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research. 2006. Vol. B252. P. 86–91.
V. G. Baryshevsky et al. Experimental Study of Volume Free Electron Laser using a "grid" photonic crystal with variable period. The 29th Int. Free Electron Laser Conference: Proceedings of FEL2007, Novosibirsk, Russia, 26–31 August 2007. P. 496–498.
V. G. Baryshevsky et al. Volume free electron laser with a ”grid” photonic crystal with variable period: theory and experiment. The 31st Int. Free Electron Laser Conference: Proceedings of FEL2009, Liverpool, UK, 23–28 August 2009. P. 134–137.
V. G. Baryshevsky et al. Experimental studies of Volume FELs with a photonic crystal. IEEE 2010 35th Int. Conference on Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves (IRMMW-THz 2010): Proceedings, Rome, Italy, 5–10 Seprember, 2010. 2 p.
V. G. Baryshevsky et al. Generation of medical X-ray and THz beams of radiation using table-top accelerators. Nuovo Cimento. 2011. Vol. 34C, N. 4. P. 199–205.
V. G. Baryshevsky. Spontaneous and induced radiation by elec-trons/positrons in natural and photonic crystals. Volume free electron lasers (VFELs): From microwave and optical to X-ray range. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research. 2015. Vol. B355. P. 17–23.
V. G. Baryshevsky, A. A. Gurinovich. Photonic crystal-based compact high-power vacuum electronic devices. Physical Review Acc. Beams. 2019. Vol. 22, 044702.
Belarus Patent no. 20010235 (09.10.2001)
Russian Patent no. 2001126186/20 (04.10.2001)
Eurasian Patent no. 004665 (25.09.2001)
V. G. Baryshevsky, A. A. Gurinovich. Electrodynamical properties of a "grid" volume resonator for travelling wave tube and backward wave oscillator. arXiv:physics/0409107. 12 p.
V. G. Baryshevsky et al. First observation of generation in the backward wave oscillator with a "grid" diffraction grating and lasing of the volume FEL with a "grid" volume resonator. arXiv:physics/0409125. 3 p.
V.G.Baryshevsky.Spontaneous and Induced Radiation by Relativistic Particles in Natural and Photonic Crystals. Crystal X-ray Lasers and Volume Free Electron Lasers (VFEL). arXiv:1101.0783. 199 p.
V. G. Baryshevsky. High Power Microwave and Optical Volume Free Electron Lasers (VFELs). arXiv:1211.4769. 35 p.
V. G. Baryshevsky, A. A Gurinovich. Volume Free Electron Laser - Self-Phase-Locking System. arXiv:1301.4330. 15 p.