6.5.5 Лазеры на свободных электронах

Лазеры на свободных электронах представляют собой генератор когерентных электромагнитных колебаний оптического диапазона длин волн, принцип работы которого основан на взаимодействии пучка свободных релятивистских электронов с пространственно-периодическим электрическим или магнитным полем.

Лазер на свободных электронах близок к приборам релятивистской высокочастотной электроники. Это прибор, принцип работы которого основан на эффектах квантовой и вакуумной электроники.

Пучок релятивистских электронов создается ускорителем заряженных частиц и направляется в ондулятор. Ондулятор представляет собой устройство, в котором создаются электромагнитные поля, действующие на движущуюся в нем заряженную частицу с периодической силой. Так, что среднее за период значение силы равно нулю.

Движущаяся заряженная частица, попав в ондулятор, совершает периодические колебания и генерирует ондуляторное излучение. В общем случае цуги волн ондуляторного излучения представляют собой гармоники, кратные основной частоте. Частоты ωn n-й гармоники в соответствии с эффектом Доплера определяются как

где - частота колебаний частицы в ондуляторе. При θ = 0 частоты ондуляторного излучения максимальны. Длина волны первичного излучения в направлении движения электронов

где λ — период электрического или магнитного поля в ондуляторе, γ — отношение кинетической энергии электрона к их энергии покоя. Если γ >> 1, то λ << λ0 (частота первичного излучения во много раз превышает частоту поперечных колебаний электронов). В открытом резонаторе, в который направляются релятивистские электроны и создаваемая ими первичная электромагнитная волна, происходит усиление волны и генерация направленного когерентного излучения. Такое излучение возникает из-за явления самосогласованного процесса, включающего в себя группирование электронов в сгустки под действием резонансной первичной волны. Группирование электронов возможно только при условии расходимости пучка, не превышающей несколько миллирадиан, и при условии моноэнергетичности электронов. Усиление происходит за счет когерентного излучения образовавшихся электронных сгустков.

В лазерах на свободных электронах есть возможность плавной перестройки длины волны генерации путем изменения величины кинетической энергии электронов. Так, получена генерация в инфракрасном диапазоне длин волн (10,8 мкм, 3,4 мкм, 0,65 мкм). Средняя Мощность излучения составляет около 5 Вт. КПД составляет ~ 1%, но может быть увеличен до 40% при условии возврата электронов в резонатор.

7. Функциональная диэлектрическая электроника

7.1. Физические основы

Функциональная диэлектрическая электроника представляет собой направление в функциональной электронике, в котором изучаются явления и эффекты в активных диэлектриках, а также возможность создания приборов и устройств обработки и хранения информации на основе динамических неоднородностей электрической, магнитной или электромагнитной природы.

7.1.1. Динамические неоднородности

В активных диэлектриках в основном используются динамические неоднородности раз­личной физической природы: домены, квазичастицы, неоднородности фоторефрактивной и электрооптической природы.

Особый интерес представляют сегнетоэлектрические домены. Они представляют собой области однородной спонтанной поляризации Ps (Рисунок - 7.1, а). Размеры доменов составляют несколько микрон и разделены переходной областью или доменной границей толщи­ной в несколько ангстрем (Рисунок - 7.1,б). Поляризация Р зависит от напряженности электри­ческого поля Е нелинейным образом. При циклическом изменении Е от +Ек до –Ек век­тор поляризации меняется от +Ps до –Ps, где Ек— коэрцитивная сила. Функция PS=f(EK) имеет вид петли гистерезиса (Рисунок - 7.1, в). Петля гистерезиса является отличи­тельной чертой динамических неоднородностей сегнетоэлектрической природы. Время электронной переполяризации составляет ~ 10–15 с.

Спонтанной поляризацией обладают и пироэлектрики, но направление вектора PS в них строго фиксировано и поэтому не обнаружено динамических неоднородностей типа до­менов.

В сегнетоэлектриках-сегнетоэластиках наблюдается спонтанная локальная деформация в результате изменения внешних условий. Спонтанная деформация сопровождается изменением знака при воздействии электрического поля.

В сегнетоэлектриках наблюдаются фотостимулированные фазовые переходы 1-го и 2-го рода, при которых генерируются фазоны — макроскопические квазичастицы. Фазоны представляют собой возбуждение в гетерофазной системе из смеси фазовых состояний одного и того же вещества, связанной с образованием вокруг заряженной частицы флук­туации концентрации одной из компонент системы, создающей для частицы потенциаль­ную яму. Самосогласованный радиус фазона R0 при данной температуре и заданной плот­ности поверхностной энергии пропорционален числу локализованных электронов п: R0~n2/3 (2R010 Å). Фазоны можно рассматривать как подвижные пакеты квазичастиц с эффективной массой М. Модель фазона предполагает существенное влияние фазового перехода 1-го рода на электропроводность. Такие пакеты квазичастиц— фазонов — можно, по-видимому, рассматривать как динамические неоднородности в сегнетоэлек­триках.

Рисунок - 7.1. Слоистая доменная структура и распределение в ней полей (а), структура сегнетоэлектрической доменной стенки (6), петля гистерезиса переполяризации домена (в)

В сегнетоэлектриках же в области фотостимулированных фазовых переходов типа "порядок—беспорядок", образуются макроскопические квазичастицы — флуктоны, которые тоже можно рассматривать в качестве динамических неоднородностей. Флуктуоны возбуждаются в гетерофазной системе и представляют собой флуктуации концентрации одной из компонент системы, создающие для частицы потенциальную яму, перемещающуюся вместе с частицей.

В сегнетомагнитных кристаллах одновременно существуют магнитная и электрическая дипольные структуры и соответственно векторы спонтанной поляризации Ps и спонтан­ной намагниченности MS. В элементарных ячейках кристаллографических структур сегнетомагнетиков должны находиться частицы, обладающие как электрическим дипольным моментом, так и магнитным. Сосуществование электрических и магнитных дипольных структур определяется принципом симметрии в различных кристаллографических структурах. Вещества определенной симметрии обладают магнитоэлектрическим эффектом. Он состоит в том, что при наложении электрического поля появляется пропорциональная полю намагниченность, а при наложении магнитного поля появляется электрическая поляризация, пропорциональная этому полю. В общем случае для таких сред справедливы соотношения:

где v и v' – магнитоэлектрические тензоры,  — диэлектрическая проницаемость,  – магнитная проницаемость вещества.

Представляют интерес для их использования в качестве динамических неоднородностеи экситоны и поляритоны. Экситоны представляют собой электронное возбуждение в кристалле диэлектрика или полупроводника, распространяющееся по кристаллу в виде волны, но не связанное с передачей электрического заряда или массы. При освещении кристалла могут возникнуть поляритоны, представляющие собой квантовые квазичастицы, возникающие при взаимодействии экситона и оптического фонона с фотоном. Эти экзотические квазичастицы способны переносить информационный сигнал и могут быть использованы в устройствах функциональной электроники.