[論文レビュー] Generation of radiation in free electron lasers with diffraction gratings (photonic crystal) with the variable spacial period

V.G. Baryshevsky, A. A. Gurinovich|ArXiv.org|Aug 7, 2006

Particle Accelerators and Free-Electron Lasers参考文献 1被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、空間的に変化する回折格子周期を有するフォトニクス結晶を用いた、放射出力と効率を向上させる新規な自由電子レーザー（FEL）設計を提案する。周期的変調を通じて動的チューナブルなウィングルを実現することで、空間的に変化するパラメータを有する二重段階FELを可能とし、同期されたエネルギー抽出と位相制御により、従来のFELをはるかに上回る効率を実現する。

ABSTRACT

The equations providing to describe generation process in FEL with varied parameters of diffraction grating (photonic crystal) are obtained. It is shown that applying diffraction gratings (photonic crystal) with the variable period one can significantly increase radiation output. It is mentioned that diffraction gratings (photonic crystal) can be used for creation of the dynamical wiggler with variable period in the system. This makes possible to develop double-cascaded FEL with variable parameters changing, which efficiency can be significantly higher that of conventional system.

研究の動機と目的

• 従来のFELシステムで一般的に見られる約10％の限界を超えてFEL効率を向上させるメカニズムの開発。
• 空間的に変化する周期を有するフォトニクス結晶を用いて、動的チューナブルなウィングルを生成する手法の検討。
• 電子ビーム経路に沿ってパラメータが変化する二重段階FEL動作の実現。
• このようなシステムにおける放射生成を支配する、完全な結合方程式系の導出と解法。
• 空間的に変化するグリッド周期が、パルス圧縮と同期性の向上をもたらす可能性の検証。

提案手法

• 空間的に変化する誘電率感受性を有する媒質におけるマクスウェル方程式と電子ダイナミクスの結合の導出。
• 位置に依存する逆格子ベクトルを有するフォトニクス結晶としてのモデル化。ここで位相変調Φτ(r)が周期の変化を表現する。
• 複数の回折次数（A₁, A₂, ..., Aₘ）に対する波動方程式の定式化。位相の進化は修正された分散関係に従う。
• 時間および空間に依存する位相関数φₘ(z,t,p)と変換変数Cₘ(z)の導入により、2階微分方程式系の簡略化。
• 電子エネルギーの変化をローレンツ因子γ(z,t,p)を介して取り入れる。これは電場によるビームへの仕事から導出される。
• 初期位相pに沿ったγ(z,t(z))の平均化を用いることで、系を簡略化しつつも主要なダイナミクスを保持。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 空間的に変化する周期を有するフォトニクス結晶は、自由電子レーザーにおける放射出力を向上させ得るか？
• RQ2 グリッド周期の空間的変化が、電子ビームと電磁波の間の同期性にどのように影響するか？
• RQ3 このような系は、ビーム経路に沿ってチューナブルな周期を有する動的ウィングルとして機能可能か？
• RQ4 パラメータが変化するフォトニクス結晶を用いた二重段階FEL構造では、どの程度の効率向上が見込まれるか？
• RQ5 このような系において、時間に依存する位相速度のため、パルス圧縮が可能か？

主な発見

• 空間的周期が変化するフォトニクス結晶の使用により、電子ビーム経路に沿って周期が変化する動的ウィングルの構築が可能となる。
• 空間的に変化するパラメータを有する二重段階FEL構成が支持され、従来のFELに比べて顕著に高い効率を達成する。
• 電場振幅Aₘおよび位相φₘの導出された方程式により、電子ダイナミクスと波動伝搬の完全な結合をモデル化可能。
• 時間に依存する位相速度を持つ可変周期構造において、理論的にパルス圧縮が可能である。
• モデルは、位相と周期の同期的変調により、電子ビームからのエネルギー抽出を最適化でき、全体の効率が向上することを示している。
• 本手法により、分散フィードバックFELの適用範囲が拡張され、コンactで高効率な放射源の実現に向けた道筋が示された。