ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2004, № 6, с. 56-60
_ ЭЛЕКТРОНИКА _
- И РАДИОТЕХНИКА -
УДК 53.082.5
ОЦЕНКА НЕСУЩЕЙ ЧАСТОТЫ ОДИНОЧНОГО С.В.Ч.-ИМПУЛЬСА ОБЪЕМНОГО ЛАЗЕРА НА СВОБОДНЫХ ЭЛЕКТРОНАХ ОЛСЭ-10
© 2004 г. К. Г. Батраков, А. С. Лобко, П. В. Молчанов
Институт ядерных проблем Белорусского государственного университета Белоруссия, 220050, Минск, ул. Бобруйская, 11 Поступила в редакцию 22.10.2003 г. После доработки 07.04.2004 г.
Описана квазиоптическая методика оценки несущей частоты коротких одиночных импульсов миллиметрового диапазона, основанная на измерении отношения прошедшей и отраженной волн при интерференции на плоской диэлектрической пластине. Приводятся результаты измерения частоты генерации прототипа объемного лазера на свободных электронах.
В настоящее время лазеры на свободных электронах (л.с.э.), т.е. устройства, в которых релятивистские пучки электронов генерируют когерентное электромагнитное излучение, представляют собой чрезвычайно важное и бурно развивающееся направление науки и техники. В Институте ядерных проблем Белорусского госуниверситета разрабатывается разновидность л.с.э. - объемный лазер на свободных электронах (о.л.с.э.) (см., например, [1]), в котором объемную распределенную обратную связь обеспечивает применение дифракционных решеток.
Первый такой лазер был практически реализован в установке 0ЛСЭ-10 [2, 3]. Ленточный (~1 х 10 мм2) электронный пучок с энергией 110 кэВ проводился через прямоугольный в сечении резонатор, образованный двумя плоскими дифракционными решетками с различными периодами и гладкими боковыми стенками. При превышении порогового значения током электронного пучка и достижении необходимой энергии появлялся сигнал генерации лазера в виде с.в.ч.-импульсов, соответствующих резонансному возбуждению пучком определенных мод резонатора. На рис. 1 изображен пример сигнала 0ЛСЭ-10. Плавная кривая отображает развертку энергии электронного пучка. При выполнении условий синхронизма (достижении определенной скорости электронов) наблюдается генерация с.в.ч.-импульсов - кривая в виде пиков (сигнал смещенного с.в.ч.-диода подавался на усилитель с двуполярным питанием, и кривая показывает выходное импульсное напряжения конкретного примененного детектора и усилителя на о.у.; базовая линия равна ~8 В - это сделано смещением о.у. для расширения динамического диапазона, так как входной сигнал по своей природе однополярный). Первые эксперименты по изучению характерных особенностей генерации лазера 0ЛСЭ-10 были посвящены оценке
частоты генерации и возможности ее плавной перестройки.
Ввиду особенностей сигнала лазера, представляющего собой однократные импульсы миллиметрового диапазона микросекундной длительности, учитывая необходимость проведения измерений в достаточно широком (53.6-78.3 ГГц) диапазоне и не располагая возможностями для построения параллельного спектроанализатора приемлемой точности (например, [4, 5]), для измерения несущей частоты импульсов лазера мы выбрали квазиоптическую методику, часто применяемую в миллиметровом диапазоне [6].
Информацию о частоте (длине волны) излучения можно получить, находя коэффициент отражения электромагнитной волны от диэлектрической пластины с известной диэлектрической проницаемостью и толщиной й, сравнимой с длиной
волны X в пластине (й ~ Х/-Уе', где е' - вещественная часть диэлектрической проницаемости).
Решение задачи об отражении плоской монохроматической электромагнитной волны от плоскопараллельной диэлектрической пластины хорошо известно (например, [6]). В общем случае коэффициент отражения зависит от угла падения, поляризации волны, толщины пластины и ее комплексной диэлектрической проницаемости. Наиболее удобным в нашей ситуации оказался вариант измерений с вариацией толщины пластины при постоянном угле падения.
Поскольку исследуемое излучение может иметь произвольную расходимость и поляризацию, измерительное устройство должно иметь поляризатор, оптические элементы, формирующие плоскую волну, и обеспечивать фиксированный угол падения излучения на пластинку. В некоторых случаях также может потребоваться применение аттенюатора либо ответвителя для отбора мощности
т 10
6 -
га
я м
ей М
К
и &
О
к
о
3 -
0
8
..........."1 Г -
\ / - 6
т 4
15 мкс - 2
- 0
* - -2
/ -4
1 1 1 1 1 1 - -6
21.66 21.72 21.78
18
Время, мс
21
Рис. 1. Осцилограммы ускоряющего напряжения (энергии) пучка и сигнала генерации лазера ОЛСЭ-10. На вставке вид одного из импульсов.
при изучении сигналов большой интенсивности. Устройство, удовлетворяющее всем вышеперечисленным требованиям (рис. 2), было собрано из полых диэлектрических лучеводов (п.д.л.) [7], которые позволяют работать в диапазоне 53.57600 ГГц. В п.д.л. эффективно распространяется мода ЕН11, имеющая линейную поляризацию и фазовый фронт, близкий к плоскому. Угол падения излучения на пластинку конструктивно фиксирован и составляет 45°. Жесткая закрытая конструкция с малым внутренним поглощением обеспечивает полный сбор мощности отраженной и прошедшей волн. Измеряемой величиной в нашей схеме является не зависящее от падающей мощности отношение мощностей отраженной и прошедшей волн Я/Т.
Для измерений были использованы три пластины керамики 22ХС различной толщины (0.5, 1.0, 2.0 мм). Измерение коэффициента преломления 22ХС квазиоптическим методом по величине коэффициента зеркального отражения дало значение п = 3.04 на длине волны X = 3.9 мм, что находится в хорошем согласии с п = 3.05 при X = 1.8 мм [8]. Толщина пластин была выдержана с точностью ±1 мкм, а плоскопараллельность составляла ±5 мкм, что с большим запасом удовлетворяет критерию Х/16 оптической гладкости [6]. Пластины вставлялись в кассету в различных комбина-
циях, т.е. мы могли обеспечить вариацию толщины 0.5-3.0 мм с шагом 0.5 мм.
Построим зависимости коэффициентов отражения и прохождения, а также их отношения, от частоты для нескольких пластин различной толщины (рис. 3). Кривые рассчитаны для поперечной поляризации, т.е. для линейно-поляризованной волны, вектор электрического поля которой
Рис. 2. Схема регистрации отраженной и прошедшей волн. 1 - лучевод длиной 50 мм; 2 - поляризатор; 3 - делитель луча с кассетой для диэлектрических пластин; 4 - согласованная нагрузка; 5 - лучеводно-волноводный переход; 6 - диодные детекторы.
(я)
0= н к
о —
я —
■е ■е
О
4 -
3 -
2 -
1 -
0 -
4.0 3.5 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0
-0.5
(б)
1.0
0.8 0.6 0.4 0.2 0
&
о к
л н о о
к &
о
0= W
я
к к
о
1.0 *
я &
0.8 g н
0.6 ^ w
я
0.4 0.2 0
о &
С
н к
о —
я —
m О
4.0 3.5 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0
4.0 3.5 3.0 2.5 2.0
(в)
50 55
60 65 70 Частота, ГГц
75 80
1.5
(г)
0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1
0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2
и
о &
о
к
на
т с о
к &
о
£ 0= W
а
к к
о
X
а &
т о
и
^
W
а
¡3
и о
¡3
о &
С
50 55
60 65 70 Частота, ГГц
75 80
Рис. 3. Расчетные графики отношения интенсивностей отраженной и прошедшей волн R/T, а также нормированные значения величин R и T для пластин из керамики 22ХС различной толщины: a - 2.5 мм; б - 1.5 мм; в - 1.0 мм; г - 0.5 мм.
R
перпендикулярен плоскости падения. Угол падения составляет 45° по отношению к нормали к поверхности пластины. Поскольку коэффициент R/T при поперечной поляризации в нашей схеме примерно в ~4 раза больше, чем при продольной, в дальнейшем все измерения проводились при поперечной поляризации.
Как следует из рис. 3, частота может быть определена точнее при больших толщинах пластин вследствие большей крутизны зависимости (характерный диапазон частот существенного изменения коэффициентов отражения и прохождения ~{L(e - sin26)1/2}-1). Однако начиная с определенной толщины, одному и тому же значению R/T будут отвечать несколько частот, поэтому вначале надо использовать пластинку с меньшей толщиной для определения диапазона, внутри которого можно будет уточнить значение частоты с помощью соответствующей более толстой пластинки.
Диодные с.в.ч.-детекторы откалиброваны с помощью генератора Г4-142, измерителя мощности М3-22А и цифрового вольтметра В7-35. Калибровочные данные в дальнейшем использовались при переводе сигналов детекторов из шкалы напряжений в шкалу мощностей.
Экспериментально измеренные зависимости коэффициента R/T от частоты оказались близки к теоретически рассчитанным кривым (рис. 3), что подтверждает хорошее согласие расчетной моде-
ли и ее практической реализации. Измерения калибровочных зависимостей, частично представленных на рис. 4, показали, что точность измерения частоты при попадании на наиболее крутые участки кривых составляет ~0.5%. Однако в связи с тем, что реально мы измеряем не отношение R/T, а сами коэффициенты R и T, для обеспечения максимальной точности измерения необходимо проводить на участках, где зависимости именно коэффициентов отражения и прохождения имеют наибольшую крутизну. Диапазоны измерений для пластин различной толщины, обеспечивающие измерения с приемлемой точностью, приведены на диаграмме рис. 5.
Кроме того, из рис. 4а следует, что на точность измерений влияет угловая расходимость волны, моделированная применением различных облучателей. Обусловленное конструкцией измерительного узла угловое расхождение падающих на пластинку волн в нашем случае равно ~ ±6°. Поляризатор, также не являющийся идеальным, может пропускать на пластину примесь ортогональной поляризации до 15%. Для анализа влияния этих источников погрешностей были произведены вычисления коэффициента R/T, учитывающие эти факторы. Было установлено, что для рассматриваемой схемы такие вариации вносят несущественные погрешности (~0.2-0.3%) в рабочих диапазонах (рис. 5).
Частота генератора, ГГц
Рис. 4. Калибровочные зависимости, снятые с помощью пластинок различной толщины: а - d = 2.5 мм, облучатели -рупор (1) и сферический рассеиватель (2); б - d = 1.0 мм и 2.0 мм.
Рассмотренная выше методика была применена для оценки несущей частоты импульсов с.в.ч.-излучения лазера ОЛСЭ-10 (рис. 1) и подтверждения возможности ее плавной перестройки.
В исследуемом лазере нерелятивистский пучок электронов движется в структуре, вклю
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.