[論文レビュー] High Power Microwave and Optical Volume Free Electron Lasers (VFELs)

V.G. Baryshevsky|arXiv (Cornell University)|Nov 20, 2012

Gyrotron and Vacuum Electronics Research参考文献 7被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、2次元／3次元の電磁的またはフォトニクス結晶におけるブレグ反射を介した非1次元的分散フィードバックを用いたボリューム自由電子レーザー（VFEL）を提案し、大幅に低減されたしきい値電流と小型化された共鳴器サイズで高出力のマイクロ波および光の発生を可能にする。主な貢献は、$ s $ をブレグ反射における追加波の数とするとき、不安定性増幅が $ n_0^{1/(3+s)} $ のスケーリングを示す理論的枠組みを提示したことであり、広い電子ビームと動的ウインドラー機構を用いることで、効率的で周波数可変かつスケーラブルなFELを実現可能にする。

ABSTRACT

The use of a non-one-dimensional distributed feedback, arising through Bragg diffraction in spatially periodic systems (natural and artificial (electromagnetic, photonic) crystals), forms the foundation for the development of volume free electron lasers (VFELs). The present review addresses the basic principles of VFEL theory and describes the promising potential of VFELs as the basis for the development of high-power microwave and optical sources.

研究の動機と目的

• 高出力で周波数可変なマイクロ波および光の光源を、より高い効率と低いしきい値を実現するボリューム自由電子レーザー（VFEL）を用いて開発すること。
• 非1次元的分散フィードバックを活用することで、従来のFELおよび真空電子素子の限界（高しきい値電流やサイズ制限）を克服すること。
• 2次元／3次元周期的構造におけるフォトニクス結晶とブレグ反射の可能性を検討し、大容量で安定的かつ効率的な電子ビーム相互作用を実現すること。
• 回折格子の向きの動的制御により、過大な共鳴器における周波数可変性とモード選択を可能にすること。
• 電子ビーム自身が生成する動的ウインドラーを用いた2段階VFEL方式の実現可能性を示すことにより、周波数可変で高出力の動作を可能にすること。

提案手法

• 相対論的電子ビームが2次元または3次元周期的共鳴器（電磁的またはフォトニクス結晶）を通過する際の放射不安定性に関する理論的分析。
• 非1次元フィードバック系における2波および3波ブレグ反射の発振方程式およびしきい値条件の導出。
• 分散方程式および波数一致条件 $ (k_i - k_j)L = 2inom{m_{ij}}{} $ を用いて、結合波相互作用およびしきい値行動をモデル化。
• 動的ウンドゥレーター機構の適用、すなわち電子ビームがチチェロフまたはスミス＝パーセル放射により時間変化するウインドラー場を生成することで、周波数可変なレーザー発振を実現。
• 2段階発振方式の設計：まずフォトニクス結晶内のフィードバックにより動的ウインドラーが形成され、次に電子ビームが自ら生成したこのウインドラーに対してレーザー発振を行う。
• 大容量の回折格子および周期的構造（金属線、フィルム、または穴あきスクリーンなど）を用いて相互作用を分散させ、出力制限を克服すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 2次元／3次元フォトニクス結晶におけるブレグ反射を介した非1次元的分散フィードバックが、自由電子レーザーにおけるしきい値電流および増幅にどのように影響を与えるか？
• RQ2 多波ブレグ反射構成における電子ビーム密度と不安定性増幅のスケーリング関係はいかなるものか？
• RQ3 電子ビーム放射を用いてVFEL共鳴器内で動的ウインドラーを自己生成できるか？また、その周波数可変性はどのように実現できるか？
• RQ4 従来の共鳴器と比較して、大容量で周期的構造を用いることでFELにおける出力処理能力とモード選択性がどのように向上するか？
• RQ5 非1次元フィードバックを有するVFELで、複数の周波数が同時に発生する条件はどのようなものか？

主な発見

• VFELにおける不安定性増幅は、$ s $ をブレグ反射で生成される追加波の数とするとき、$ n_0^{1/(3+s)} $ のスケーリングを示し、1次元系と比較して顕著に低いしきい値電流を実現する。
• 2波ブレグ反射（$ s=1 $）では増幅が $ n_0^{1/4} $ に比例するが、これは従来のFELの $ n_0^{1/3} $ に比べて顕著な改善である。
• 非1次元フィードバックのおかげで発振しきい値が著しく低下し、低電流密度および小規模な共鳴器でも動作可能になる。
• 2次元／3次元フォトニクス結晶を用いることで、共鳴器のサイズに比べて波長がはるかに短い過大共鳴器においても効果的なモード選択が可能になる。
• 2段階VFEL方式は実現可能であり、電子ビーム自身が共鳴器内で自己生成した動的ウインドラーに対してレーザー発振を行う。回折格子の向きの回転により滑らかな周波数可変性が実現可能である。
• 周期的金属スクリーンまたはワイヤアレイを用いることでクーロン反発を緩和できるため、従来の真空電子素子と比較して、より高い電流密度を維持できる。