СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ СОЗДАНИЯ ЛАЗЕРА СВЕРХЖЕСТКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 1999 года по МПК H01S4/00 H05H13/04 

Область техники
Изобретение относится к способу и устройству для создания лазера сверхжесткого излучения. Этот термин объединяет когерентное комптоновское рассеяние (CCS) рентгеновских лучей и когерентное комптоновское рассеяние гамма-лучей. Более конкретно, изобретение относится к способу и устройству для создания лазера когерентного сверхжесткого излучения, который имеет длину волны, изменяющуюся в диапазоне от мягкого рентгеновского излучения, фотонная энергия которого используется для микролитографии и рентгеновских микроскопов, до диапазона гамма-излучения, позволяющего управлять поперечным сечением ядерной реакции.

Традиционная методика создания когерентного монохроматического светового пучка ограничивалась формированием световых пучков, таких как лазерный пучок, в видимом световом диапазоне и соседних с ним областях. Кроме того, не был реализован технологический способ создания лазера сверхжесткого излучения, например, рентгеновского лазера или лазера гамма-излучения, т.е. когерентного монохроматического светового пучка в рентгеновском диапазоне или диапазоне гамма-излучения, в котором энергия фотона равна или больше 1 МэВ.

Поэтому появилась необходимость разработки технологического способа создания такого лазера сверхжесткого излучения.

Наиболее близким аналогом заявленного способа создания лазера сверхжесткого излучения является способ, раскрытый в заявке ЕР 0436043 A1 (H 05 H 13/04, опублик. 10.07.91). Известный способ включает создание электронных бунчей в накопительном кольце синхротрона, т.е. выравнивание энергии электронного пучка и формирование импульсов электронов посредством группирования с использованием поворота фазы для преобразования накопленных электронов в когерентный пучок (имеющий высокую степень временной когерентности), и проецирование лазерного пучка в направлении, противоположном направлению распространения когерентного электронного пучка, для индуцирования когерентного комптоновского рассеивания лазерного пучка.

Наиболее близким аналогом второго варианта способа создания лазерного сверхжесткого излучения является способ, известный также из заявки ЕР 0436043 A1, который включает указанные выше операции.

Прототипом заявленного устройства для создания лазерного сверхжесткого излучения служит известное устройство, описанное в заявке ЕР 0436043 A1.

Данное устройство содержит лазер оптического диапазона, электронное накопительное кольцо, средство для создания в накопительном кольце синхротрона электронных бунчей, т.е. для выравнивания энергии электронного пучка и формирования импульса электронного пучка, посредством группирования с использованием поворота фазы для преобразования накопленного электронного пучка в когерентный электронный пучок, имеющий высокую степень временной когерентности.

Устройство содержит также средство для проецирования лазерного луча в направлении, противоположном направлению распространения когерентного электронного пучка для индуцирования когерентного комптоновского рассеяния лазерного пучка.

В качестве прототипа второго варианта заявленного устройства для создания лазера сверхжесткого излучения выбрано устройство, известное из заявки ЕР 0436043 A1 и содержащее аналогичные конструктивные элементы, указанные выше для первого варианта.

Изложение существа изобретения
В основу настоящего изобретения поставлена задача создания способа и устройства для создания лазера сверхжесткого излучения, такого как рентгеновский лазер или лазер гамма-излучения, излучение которого превосходило бы по качеству синхротронное световое излучение (SR) и излучение лазера на свободных электронах (FEL) в отношении короткой длины волны и экономии, путем использования приемов, отличающихся от известных, при создании когерентного монохроматического светового пучка.

Поставленная задача решается за счет того, что разработан усовершенствованный способ создания лазера сверхжесткого излучения. Способ включает следующие операции.

Одновременно обеспечивают выравнивание энергии электронного пучка в электронном накопительном кольце и формируют импульсы электронного пучка посредством группирования для преобразования накопленного электронного пучка в когерентный электронный пучок.

После этого проецируют лазерный пучок в направлении, противоположном направлению распространения когерентного электронного пучка, с целью индуцирования когерентного комптоновского рассеяния лазерного пучка. Согласно настоящему изобретению дополнительно осуществляют коррекцию поворота фазы электронного пучка с помощью соленоидального магнитного поля, посредством чего создают когерентный электронный пучок с высокой степенью временной когерентности для эффективного когерентного комптоновского рассеяния лазерного пучка.

В другом варианте способ создания лазерного сверхжесткого излучения содержит следующие операции.

В накопительном кольце генерируют когерентный электронный пучок.

Одновременно с этим осуществляют выравнивание энергии электронного пучка и формирование импульсов за счет группирования для генерации сверхжесткого излучения при комптоновском рассеянии лазерного излучения. Согласно настоящему изобретению когерентный электронный пучок генерируют путем циклотронного лазерного охлаждения, при котором электромагнитное поле прикладывается к электронному пучку внутри зоны генерации соленоидального магнитного поля вдоль электронного пучка в электронном накопительном кольце.

При этом используют высокочастотное магнитное поле с частотой и напряженностью, согласованными в ТЕ моде с магнитной осью магнитного поля, и осуществляют группирование лазерного когерентного сверхжесткого излучения. Кроме того, осуществляют коррекцию поворота фазы электронного пучка с помощью соленоидального магнитного поля, посредством чего создают когерентный электронный пучок с высокой степенью временной когерентности для эффективного комптоновского рассеяния лазерного пучка.

Поставленная задача достигается также за счет использования устройства для создания лазерного сверхжесткого излучения, которое содержит следующие элементы.

В состав устройства входит лазер оптического диапазона, электронное накопительное кольцо, средство для одновременного выравнивания энергии электронного пучка в электронном накопительном кольце и формирования импульса электронного пучка посредством группирования для преобразования накопленного электронного пучка в когерентный пучок. Устройство содержит также средство для проецирования лазерного пучка в направлении, противоположном направлению распространения электронного пучка для индуцирования комптоновского рассеяния лазерного пучка. Согласно настоящему изобретению устройство содержит средство для группирования электронного пучка с использованием поворота фазы, посредством чего электронному пучку в электронном накопительном кольце придают когерентность более эффективным образом и более эффективно осуществляют индуцирование когерентного комптоновского рассеяния лазерного пучка.

В другом варианте устройства поставленная задача достигается за счет использования следующей совокупности признаков.

В состав устройства входит лазер оптического диапазона, электронное накопительное кольцо для накопления электронного пучка. Согласно настоящему изобретению устройство включает зону генерации соленоидального магнитного поля вдоль электронного пучка, высокочастотный резонатор для циклотронного лазерного охлаждения электронного пучка внутри зоны генерации магнитного поля при генерации высокочастотного электромагнитного поля, имеющего частоту и напряженность, согласованнее в ТЕ моде с магнитной осью магнитного поля, для одновременного обеспечения выравнивания энергии электронного пучка и формирования импульсов посредством группирования с использованием поворота фазы. Устройство также включает средство для формирования когерентного электронного пучка путем циклотронного лазерного охлаждения с целью генерации лазерного когерентного сверхжесткого излучения посредством когерентного комптоновского рассеяния лазерного пучка и средство для создания соленоидального магнитного поля для коррекции поворота фазы, посредством чего электронному пучку в электронном накопительном кольце придают когерентность более эффективным образом и более эффективно осуществляют индуцирование когерентного комптоновского рассеяния лазерного пучка.

В настоящем изобретении применяется охлаждение электронного накопительного кольца мазером (CMC) в соответствии с методикой, предложенной авторами настоящего изобретения (патентная заявка Японии N 6-326510 "Method and Apparatus for Generating Coherent Charged Particle Beam" "Способ и устройство для создания когерентного разрядного луча"). Кроме того, посредством выравнивания энергии и формирования импульсов за счет группирования с использованием поворота фазы, обеспеченного циклотронным мазерным охлаждением, формируется когерентный электронный пучок, имеющий высокую степень временной когерентности. А лазерный пучок проецируется в направлении, противоположном направлению распространения когерентного электронного пучка, чтобы индуцировать когерентное комптоновское рассеяние лазерного пучка. Посредством этого создается лазер сверхжесткого излучения, имеющий улучшенный монохроматизм, направленность и свечение.

Краткое описание сопроводительного чертежа
В дальнейшем изобретение поясняется описанием конкретного варианта воплощения со ссылками на сопровождающий чертеж, на котором представлена схема устройства для создания лазера сверхжесткого излучения, согласно изобретению.

Описание предпочтительного варианта реализации изобретения
В случае, когда энергия фотонов, которые подвергаются комптоновскому рассеянию, существенно меньше, чем энергия массы покоя свободного электрона m₀c² = 511 кэВ, где m₀ - масса покоя электрона и c - скорость света, комптоновское рассеяние может рассматриваться как томсоновское рассеяние. Поэтому в таком случае простая томсоновская теория механизма рассеяния может применяться к комптоновскому рассеянию. Между тем, группа электронов внутри импульса (ширина интервала t_b) когерентного электронного пучка, который получается за счет достаточного охлаждения мазером и группирования с поворотом фазы, имеет одинаковую фазу и тепловую энергию кТ, которая удовлетворяет следующему уравнению, называемому "соотношением неопределенности Гейзенберга":
кТ • t_b < h, (1)
где k - постоянная Больцмана, T - температура электрона и h - постоянная Планка.

В процессе рассеяния группы когерентных лазерных фотонов с группой когерентных электронов, группа когерентных электронов может рассматриваться как группа электрических диполей с одинаковой фазой в направлении распространения лазерного пучка. Электрические диполи одинаковой фазы излучают группу фотонов, которые имеют одинаковую фазу только в общем направлении, т.е. когерентный свет. Следовательно, допускается, что направление рассеяния является таким же, как направление падающего лазерного пучка или противоположным по отношению к направлению лазерного пучка.

Соответственно, свет, полученный в результате когерентного комптоновского рассеяния (CCS) представляет собой когерентный фотонный пучок, имеющий острую направленность, почти равную той, которую имеет падающий лазерный пучок.

Энергия hν′ CCS фотона, излучаемого в направлении, противоположном направлению падающего лазерного пучка, т.е. в том же направлении, что и направление когерентного электронного пучка, возрастает за счет эффекта Доплера, что выражается следующим уравнением:
hν′= 4γ²hν,
γ = E_e/m_oc², (2)
где ν - частота фотона перед тем, как он испытывает комптоновское рассеяние, ν′ - частота фотона после того, как он испытывает комптоновское рассеяние, γ - релятивистский энергетический фактор, и E_e полная энергия электрона.

Соответственно, как следует из уравнения (2), фотонная энергия hν′ CCS фотона, полученная в настоящем изобретении, может быть легко изменена за счет изменения энергии фотона hν излучения лазерного пучка или энергии ускорения электрона (γ-1)m_oC².
Полное поперечное сечение неполяризованного лазерного фотона, рассеивающего за счет произвольных фаз электрона, определяется выражением:
σ_o= (8π/3)r2o

,
r₀ = e²/m₀C²,
где r₀ - классический электронный радиус и e - электронный заряд. И наоборот, при рассеянии, вызванном группой, например, n электронов в одинаковой фазе, эти n электронов в одинаковой фазе ведут себя как отдельная заряженная частица, имеющая заряд n_e и массу nm₀, так что поперечное сечение рассеяния становится равным n²σ_o. Другими словами, поперечное сечение рассеяния возрастает в n раз по сравнению с суммой nσ_o поперечного сечения рассеяния n электронов, которые имеют произвольные фазы. Соответственно CCS фотон генерируется с эффективностью в 10³ - 10⁶ раз больше, чем в случае, когда гамма-излучение на основе лазерного комптоновского рассеяния генерируется за счет обычного лазерного комптоновского рассеяния (LCS), когда интенсивность электронного пучка и интенсивность падающего лазерного пучка являются одинаковыми в обоих случаях.

Из приведенного выше описания ясно, в дополнение к характерной особенности наличия поляризуемости, аналогичной той, которая присуща обычному 1CS гамма-излучению (гамма-излучение на основе лазерного комптоновского рассеяния), CCS фотонное излучение настоящего изобретения имеет острую направленность, которая присуща исключительно лазерному пучку и которую не имеет 1CS гамма-излучение. Кроме того, по сравнению с 1CS гамма-излучением, CCS фотонный пучок имеет интенсивность, увеличенную за счет коэффициента, равного числу электронов, подвергшихся группированию с поворотом фазы. Следовательно, как будет описано ниже, настоящее изобретение позволяет благодаря электронному накопительному кольцу малого размера легко создавать лазер когерентного сверхжесткого излучения, имеющего фотонную энергию, большую, чем фотонная энергия традиционного огромного кольца фотонного излучения.

Что касается генерирования гамма-лучей, имеющих интенсивность 10⁷ фотонов в секунду, об этом сообщалось в Японии, США и Европе. Поэтому в случае, когда количество электронов, которые подвергаются группированию с поворотом фазы, равно или больше, чем 10⁶, возможно создать лазер сверхжесткого излучения, имеющий интенсивность 10¹³ фотонов в секунду. Также CC фотонный пучок имеет направленность, указанную выше. Поэтому интенсивность CCS фотонного пучка увеличивается до уровня, который нельзя сравнивать с уровнем интенсивности 1CS гамма-излучения.

На чертеже показана схема устройства для создания лазера сверхжесткого излучения в диапазоне рентгеновских лучей, в котором настоящее изобретение применяется для CMC электронного накопительного кольца малого размера (энергия ускорения электрона: ( (γ - 1)m₀C² = 7 МэВ; т.е. γ = 15).

Поз. 1 обозначает электронный пучок, поз. 2 обозначает высокочастотный резонатор для CMC, расположенный в соленоидном магнитном поле, имеющем магнитную индукцию B₀, и поз. 3 обозначает вспомогательный высокочастотный резонатор для CMC, расположенный в скорректированном соленоидном магнитном поле, имеющем магнитную индукцию - B₀. Хотя на чертеже показан дополнительный высокочастотный резонатор 3, он не является обязательным, за исключением случаев, когда лазер сверхжесткого излучения должен создаваться в области более высокой энергии гамма-излучения. Соответственно, в настоящем варианте реализации изобретения, когда лазер сверхжесткого излучения создается в области мягкого рентгеновского излучения, дополнительный высокочастотный резонатор 3 и дополнительное соленоидное магнитное поле не являются необходимыми. Поз. 4 обозначает лазерный источник на иттрий-алюминиевом гранате с неодимом (длина волны: 1,064 нм), поз. 5 обозначает контрольную зону для регулирования степени поляризации лазерного пучка. Поз, 6 обозначает отражающее зеркало для отражения лазерного пучка, поз. 7 обозначает фокусирующую линзу, поз. 8 - точка перекрытия между лазерным пучком и электронным пучком, поз. 9 обозначает монитор для контроля интенсивности лазерного пучка, поз. 10 обозначает лазер сверхжесткого излучения, имеющий длину волны около 1 нм, т.е. фотонную энергию около 1 кэВ, и поз. 11 обозначает оптические элементы, как, например, электромагниты или накопительное кольцо.

В настоящем варианте реализации изобретения наибольшая энергия электронов, теряемая в точке перекрытия пучков 8, составляет 1 кэВ. Так как энергия и фокусируемость электронов корректируются за счет дополнительного высокочастотного ускорения или CMC ускорительного типа в кольце, создание лазера сверхжесткого излучения не приводит к потере электронов, при этом электронный пучок в накопительном кольце может использоваться повторно.

Настоящее изобретение не ограничивается описанными выше вариантами его реализации. Возможны многочисленные модификации и изменения настоящего изобретения.

Настоящее изобретение обеспечивает следующие преимущества.

Электронный пучок в электронном накопительном кольце усиливается для получения поворота в CMC зоне, и CMC вводится, чтобы одновременно осуществлялось формирование импульсов электронного пучка за счет группирования с использованием поворота фазы и обеспечивалось выравнивание энергии электронного пучка и тем самым создавался когерентный электронный пучок. Лазерный пучок выпускается в направлении, противоположном направлению распространения электронного пучка таким образом, чтобы усилить лазерную фотонную энергию. Соответственно, может быть создан лазер когерентного сверхжесткого излучения, например, когерентного рентгеновского излучения или когерентного гамма-излучения.

В отличие от 1CS гамма-излучения, излучение сверхжесткого лазера, генерируемое благодаря CCS между когерентным электронным пучком и лазерным пучком, имеет острую направленность, монохроматичность и когерентность, которые являются такими же, как и в проецируемом лазерном пучке. Следовательно в отличие от 1CS гамма-излучения не требуется кинематического фокусирования и лазер сверхжесткого излучения, имеющий высокую интенсивность, может быть получен даже в области рентгеновского излучения, где энергия является низкой.

По сравнению с традиционным 1CS гамма-излучением, эффективность создания лазера сверхжесткого излучения увеличивается за счет коэффициента, равного количеству электронов в импульсе, подвергшихся фазовому группированию. В частности, лазер сверхжесткого излучения может быть создан с эффективностью в 10³-10⁶ раз выше, чем в случае 1CS гамма-излучения, когда интенсивность электронного пучка и интенсивность падающего лазерного пучка одинаковы в обоих случаях.

Устройство для создания лазера сверхжесткого излучения компактно и может быть изготовлено при меньших затратах, чем известные устройства с кольцом фотонного излучения. Кроме того, устройство может генерировать когерентный фотонный пучок в области гамма-излучения высокой энергии, который не может быть генерирован в соответствии с известными способами генерирования фотонного излучения.

Изобретение относится к лазерной технике. Генерация лазерного сверхжесткого излучения осуществляется путем выравнивания энергии электронного пучка и формирования импульсов пучка посредством группирования с целью преобразования пучка в когерентный электронный пучок. Проецирование лазерного пучка осуществляют в направлении, противоположном направлению распространения когерентного электронного пучка, для индуцирования когерентного комптоновского рассеяния лазерного пучка. При этом осуществляют коррекцию поворота фазы электронного пучка с помощью соленоидального магнитного поля. В другом варианте когерентный электронный пучок генерируют путем циклотронного лазерного охлаждения, при котором высокочастотное электромагнитное поле прикладывается к электронному пучку внутри зоны генерации соленоидального магнитного поля вдоль электронного пучка в электронном накопительном кольце. Изобретения направлены на повышение степени когерентности пучка для повышения эффективности когерентного комптоновского рассеяния лазерного пучка. 4 с. п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ создания лазерного сверхжесткого излучения, включающий одновременное выравнивание энергии электронного пучка в электронном накопительном кольце и формирование импульсов электронного пучка посредством группирования для преобразования накопленного электронного пучка в когерентный электронный пучок и проецирование лазерного пучка в направлении, противоположном направлению распространения когерентного электронного пучка, для индуцирования когерентного комптоновского рассеяния лазерного пучка, отличающийся тем, что осуществляют коррекцию поворота фазы электронного пучка с помощью соленоидального магнитного поля, посредством чего создают когерентный электронный пучок с высокой степенью временной когерентности для эффективного когерентного комптоновского рассеяния лазерного пучка. 2. Способ создания лазерного сверхжесткого излучения, включающий генерацию в накопительном кольце когерентного электронного пучка, одновременное выравнивание энергии электронного пучка и формирование импульсов за счет группирования для генерации сверхжесткого излучения при комптоновском рассеянии лазерного излучения, отличающийся тем, что когерентный электронный пучок генерируют путем циклотронного лазерного охлаждения, при котором высокочастотное электромагнитное поле прикладывается к электронному пучку внутри зоны генерации соленоидального магнитного поля вдоль электронного пучка в электронном накопительном кольце, причем высокочастотное магнитное поле имеет частоту и напряженность, согласованные в ТЕ моде с магнитной осью магнитного поля, и осуществляют группирование лазерного когерентного сверхжесткого излучения, при этом осуществляют коррекцию поворота фазы электронного пучка с помощью соленоидального магнитного поля, посредством чего создают когерентный электронный пучок с высокой степенью временной когерентности для эффективного когерентного комптоновского рассеяния лазерного пучка. 3. Устройство для создания лазерного сверхжесткого излучения, содержащее лазер оптического диапазона, электронное накопительное кольцо, средство для одновременного выравнивания энергии электронного пучка в электронном накопительном кольце и формирования импульса электронного пучка посредством группирования для преобразования накопленного электронного пучка в когерентный пучок, средство для проецирования лазерного пучка в направлении, противоположном направлению распространения электронного пучка, для индуцирования комптоновского рассеяния лазерного пучка, отличающееся тем, что содержит средство для группирования электронного пучка с использованием поворота фазы, посредством чего электронному пучку в электронном накопительном кольце придают когерентность более эффективным образом и более эффективно осуществляют индуцирование когерентного комптоновского рассеяния лазерного пучка. 4. Устройство для создания лазерного сверхжесткого излучения, содержащее лазер оптического диапазона, электронное накопительное кольцо для накопления электронного пучка, отличающееся тем, что включает зону генерации соленоидального магнитного поля вдоль электронного пучка, высокочастотный резонатор для циклотронного лазерного охлаждения электронного пучка внутри указанной зоны генерации соленоидального магнитного поля при генерации высокочастотного электромагнитного поля, имеющего частоту и напряженность, согласованные в ТЕ моде с магнитной осью магнитного поля, для одновременного обеспечения выравнивания энергии электронного пучка и формирования импульсов посредством группирования с использованием поворота фазы, средство для формирования когерентного электронного пучка путем циклотронного лазерного охлаждения для генерации лазерного когерентного сверхжесткого излучения посредством когерентного комптоновского рассеяния лазерного пучка и средство для создания соленоидального магнитного поля для коррекции поворота фазы, посредством чего электронному пучку в электронном накопительном кольце придают когерентность более эффективным образом и более эффективно осуществляют индуцирование когерентного комптоновского рассеяния лазерного пучка.