Двумерная распределенная обратная связь как метод генерации мощного когерентного излучения от пространственно-развитых релятивистских электронных пучков

Целью представленных в обзоре исследований является анализ нового механизма обратной связи — двумерной распределенной обратной связи, включая возможность использования указанного механизма для генерации мощного пространственно-когерентного излучения. Двумерная распределенная обратная связь реализуется с помощью двумерных брэгговских структур, представляющих собой планарные или коаксиальные волноводы с двумернопериодической гофрировкой боковых стенок, которые можно рассматривать как аналог двумерных фотонных кристаллов. Методы. Теоретический анализ двумерных брэгговских структур и мощных релятивистких мазеров на их основе проведен в рамках метода связанных волн с использованием геометро-оптического и квазиоптического приближений. Высокая селективность двумерных брэгговских структур подтверждена трехмерным моделированием и «холодными» электродинамическими тестами. Результаты. Моделирование динамики генераторов с двумерной распределенной обратной связью показывает, что возникающие в двумерных брэгговских структурах поперечные (по отношению к движению электронов) потоки электромагнитной энергии приводят к синхронизации излучения различных частей широких электронных потоков и установлению устойчивого режима одномодовой генерации при поперечных размерах систем, достигающих $10^2$ …$10^3$ длин волн. Работоспособность нового механизма обратной связи продемонстрирована экспериментально в мазерах на свободных электронах планарной и коаксиальной геометрии, реализованных в $4$-мм и $8$-мм диапазонах, где при сверхразмерности пространства взаимодействия до $50$ длин волн получен устойчивый режим узкополосной генерации с рекордным уровнем выходной мощности до $100$ МВт. Заключение. Проведенные теоретические и экспериментальные исследования показали, что двумерная распределенная обратная связь является эффективным методом получения когерентного излучения миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов с уровнем мощности порядка $10^8$ …$10^{10}$ Вт от релятивистских электронных пучков ленточной и трубчатой конфигурации, формируемых существующими сильноточными ускорителями. С практической точки зрения не менее привлекательно использование двумерной распределенной обратной связи для синхронизации излучения лазерных активных сред, в частности, полупроводниковых гетероструктур.