[論文レビュー] Spontaneous and Induced Radiation by Relativistic Particles in Natural and Photonic Crystals. Crystal X-ray Lasers and Volume Free Electron Lasers (VFEL)

V.G. Baryshevsky|arXiv (Cornell University)|Jan 4, 2011

Photonic Crystals and Applications参考文献 23被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、自然結晶およびフォトニクス結晶内の相対論的粒子からの自発的および誘導放射を活用し、多波長回折を用いて低しきい値・可変周波数・高出力X線およびテラヘルツ放射を実現するボリューム自由電子レーザー（VFEL）の提案を行う。主な貢献は、周期的媒体における分散フィードバックを用いたVFELの理論的基盤の確立であり、周波数可変化、しきい値電流密度の低減（約10⁸ A/cm²まで）、結晶構造内の放射不安定性による安定で多周波数発振を可能にする。

ABSTRACT

The mechanisms of spontaneous and induced radiation produced by relativistic particles passing through natural and photonic crystals are reviewed. The theory of Volume Free Electron Lasers based on spontaneous radiation in natural and photonic crystals is presented.

研究の動機と目的

• パラメトリックX線放射（PXR）、屈折チャネリング放射（DCR）、表面パラメトリックX線放射（SPXR）のスペクトル角分布の理論的導出。
• 集団的状態におけるFELの分散方程式および増幅解析の適用。特に、多波長回折および回折根の縮退点に注目。
• 空間的周期的媒体における非一次元的回折格子を用いたボリューム分散フィードバック（VDFB）のモデル化。これにより、モード選択的で過モード共振器を実現。
• 周期的構造内を通過する相対論的電子ビームの放射不安定性の法則を用い、VFELにおけるしきい値条件および増幅の向上を予測。
• 二波および三波回折幾何における生成方程式およびしきい値条件の分析。ビーム密度、相互作用長、グリッドパラメータに依存する関係を含む。
• 可変周期のフォトニクス結晶および外部のブレグ反射板の統合により、周波数可変化およびレーザー周波数の制御を拡張。

提案手法

• フォトニクス結晶および自然結晶におけるパラメトリックX線放射（PXR）、屈折チャネリング放射（DCR）、表面パラメトリックX線放射（SPXR）のスペクトル角分布の理論的導出。
• 集団的状態におけるFELの分散方程式および増幅解析の適用。特に、多波長回折および回折根の縮退点に注目。
• 空間的周期的媒体における非一次元的回折格子を用いたボリューム分散フィードバック（VDFB）のモデル化。これにより、モード選択的で過モード共振器を実現。
• 周期的構造内を通過する相対論的電子ビームの放射不安定性の法則を用い、VFELにおけるしきい値条件および増幅の向上を予測。
• 二波および三波回折幾何における生成方程式およびしきい値条件の分析。ビーム密度、相互作用長、グリッドパラメータに依存する関係を含む。
• 可変周期のフォトニクス結晶および外部のブレグ反射板の統合により、周波数可変化およびレーザー周波数の制御を拡張。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 フォトニクス結晶および自然結晶内の相対論的粒子からの自発的および誘導放射は、X線およびテラヘルツ周波数でレーザー発振を可能とするか？
• RQ2 周期的結晶構造内での多波長回折は、FEL発振のしきい値電流密度をどのように低減するか？
• RQ3 周期的媒体内を通る相対論的電子ビームにおける放射不安定性の役割は、低しきい値VFEL動作を可能にするか？
• RQ4 フォトニクス結晶におけるボリューム分散フィードバックは、周波数可変化および安定で多周波数発振をFELに可能にするか？
• RQ5 VFELは、従来の真空電子素子および従来のFELの出力および帯域幅の制限をどの程度克服できるか？

主な発見

• 周期的媒体における放射不安定性の法則により、従来の結晶ベースのX線FEL（約10¹²–10¹³ A/cm²）に比べ、著しく低い電流密度（約10⁸ A/cm²）でFEL発振が可能となる。
• VFELにおける発振しきい値電流密度は、j_start ∼ 1/[(kL)³(kχτL)²ˢ] に比例する。ここでsは追加の回折波の数を表し、多波長回折がしきい値を顕著に低減することを示す。
• 非一次元的分散フィードバックを有するボリュームFELは、回折グリッドの回転により周波数可変化が可能であり、高出力で安定した過モード共振器を実現する。
• 二波および三波ブレッグ回折幾何では、それぞれ異なるしきい値条件および増幅プロファイルを示し、s（波の数）が大きいほどしきい値が低く、増幅が向上する。
• VFELは分散フィードバック機構のおかげで、同時に複数の周波数の放射を生成可能であり、広帯域および多波長動作を実現する。
• VFELの初回実験的発振はFEL 2001で報告され、周期的媒体内での低しきい値・高出力・可変周波数のコherent放射の理論的予測が実証された。