Итак, мы видим, что пучок релятивистских электронов, распространяющихся прямолинейно в магнитном ондуляторе, способен усиливать, а значит, при соответствующей обратной связи генерировать, излучение на длинах волн, определяемых пространственным периодом ондулятора L и значением релятивистского фактора g, т. е. энергией электронов. При этом перестройка длины волны излучения естественно осуществляется изменением энергии электронов. Лазер такого типа может, в принципе, работать от волн субмиллиметрового диапазона до дальнего УФ излучения. При характерной длине ондулятора в несколько метров и пространственном периоде 1 – 3 см относительная однородная ширина линии усиления составила бы 10-4 – 10-3. Обычно относительная немоноэнергетичность электронных пучков превышает эту величину.
Сравнительно легко в ондуляторах с помощью двойных сверхпроводящих спиралей достигается циркулярно поляризованное магнитное поле с индукцией в несколько килогаусс. В этих условиях при электронном токе в пучке в несколько ампер (Ne » 5 × 1010 – 1011 см3) для ближней ИК-области спектра при энергии электронов 20 – 30 МэВ получено усиление за один проход в несколько процентов (порядка 10%) и генерация с выходной пиковой мощностью порядка 10 4 Вт.
Ускорители электронов, используемые как источники электронных пучков, работают обычно в импульсном режиме. Длительность импульсов электронного пучка составляет, как правило, величину порядка 1 мкс. Однако эти импульсы отнюдь не являются гладкими, а представляют собой регулярную последовательность коротких сгустков (электронных пакетов) существенно меньшей (обычно пикосекундной) длительности. В некоторых ускорителях оказывается возможным реализовать непрерывную последовательность таких сгустков.
Для замыкания цепи обратной связи необходимо, чтобы временной интервал между сгустками в регулярной последовательности их поступления на вход ондулятора был кратен двойному времени пробега излучения через резонатор. Только в этом случае излучение, созданное электронными сгустками и накопленное в резонаторе лазера при многократных отражениях от его зеркал, поступает в виде волновых пакетов на вход ондулятора синхронно с электронными пакетами и усиливается в течение всего времени существования последовательности электронных сгустков. В результате лазерная генерация осуществляется в виде последовательности коротких импульсов, разделенных интервалами времени, равными или кратными двойному времени прохода излучения между зеркалами резонатора лазера, расстояние между которыми практически равно длине ондулятора.
Немонохроматичность излучения лазера на свободных электронах определяется, таким образом, длительностью электронных сгустков. Сгустки длительностью 3 пс занимают в пространстве область протяженностью примерно 1 мм и приводят к ширине спектра излучения 10 см-1. Увеличение монохроматичности лазеров на свободных электронах требует удлинения электронных сгустков (конечно, при условии сохранения пикового значения электронного тока).
Наиболее важным физическим компонентом ЛСЭ является ускоритель. Энергия электронного пучка, создаваемого ускорителем, будет лежать в области релятивистских энергий электронов (mс 2 = 510 кэВ) и может быть выше 1000 МэВ. Ток ускорителя, как правило, является импульсным с длительностью импульса от нескольких микросекунд до нескольких пикосекунд. Ускорители могут работать в режиме либо одиночных импульсов, либо повторяющихся импульсов с частотой повторения до 1000 Гц. Электроны ускоряются диодной структурой или электронной пушкой, которые включают в себя "горячий" или "холодный" катод, фокусирующие элементы и ведущее магнитное поле. В дальнейшем, если не будет специально оговорено, будем считать, что ускорение осуществляется диодной структурой.
Другим параметром, характеризующим электронный пучок, является его собственный разброс по продольным импульсам ["холодный" пучок имеет на выходе только одно значение поперечного (или продольного) импульса при данной энергии]. В идеальном случае энергия всех электронов, вылетающих из ускорителя, должна быть одной и той же, но из-за конструктивных особенностей ускорителя и системы транспортировки у электронов имеется разброс по импульсам в поперечном и продольном направлениях. Он описывается параметром, называемым эмиттансом пучка, который характеризует яркость потока. Для ЛСЭ нужны яркие электронные потоки с малым разбросом по продольным импульсам. Это и не удивительно, если вспомнить, что в обычных лазерах излучение на выходе тоже является "ярким" (т. е. в дополнение к высокому уровню выходной мощности оптический пучок имеет очень малую расходимость и, следовательно, может быть сфокусирован до дифракционно-ограниченного пятна).
Кроме того, нам необходимо устройство, которое обеспечивало бы связь прямолинейного неизлучающего движения электронов с электромагнитной волной. Поскольку электромагнитное поле оптического пучка, распространяющегося параллельно оси движения электронов, является поперечным, для обмена энергией с электромагнитным полем электрону необходимо сообщить поперечную компоненту движения. Тогда электрон будет совершать работу над полем, записываемую математически в виде j*Е. Это осуществляется искривлением траектории электрона в периодическом поперечном магнитостатическом поле, создаваемом ондулятором. В этом случае мы имеем дело с магнитотормозным излучением. Имеется много способов, позволяющих вычислять с достаточной степенью точности траектории движения электронов в ондуляторе. Существует также много других устройств, которые могут выступать в роли ондуляторов: системы с периодическими электростатическими элементами, с электромагнитными волнами высокой интенсивности и, возможно, система с электростатической волной, которая может возбудиться при инжекции электронного пучка в специально приготовленную плазму или кристалл. Многие из этих ондуляторов менее удобны для реализации, чем магнитостатический ондулятор. Большинство же разработанных в настоящее время ондуляторов представляют собой либо спиральные токовые обмотки, либо линейную цепочку из постоянных дипольных магнитов.
Типичный период ондулятора равен примерно 3 см, а типичное значение индукции магнитного поля порядка 1 кГс. Такое поле может создаваться импульсными или постоянным током (последнее возможно в сверхпроводнике) или ондулятор можно составить из постоянных магнитов как из "строительных блоков" (таких, как самарий-кобальтовые магниты). Простейшие конструкции ондуляторов имеют обычно фиксированные значения периода и амплитуды поля, за исключением коротких участков на входе и выходе, где поле адиабатически увеличивается, чтобы обеспечивать плавный переход электронов в новую область взаимодействия. Однако можно сконструировать такой ондулятор, который при определенных условиях позволяет улучшить характеристики ЛСЭ; это привело к созданию неоднородных ондуляторов, у которых период, амплитуда или форма поля вдоль структуры изменяются адиабатически. Успешная разработка ЛСЭ с неоднородными ондуляторами значительно расширила возможности их применения и привела к новым достижениям в развитии теории лазеров на свободных электронах.
Наличие в ЛСЭ ондулятора позволяет использовать его не только для замедления электронов, но и для их ускорения. Это возможно также, например, в линейном ускорителе, в котором ускорение или замедление осуществляется продольной компонентой ВЧ электрического поля в последовательности резонаторов или в нагруженной передающей линии. Однако в линейном ускорителе взаимодействие всегда происходит на частоте ВЧ источника, в то время как в ЛСЭ оно имеет место на удвоенной частоте доплеровского сдвига. Таким образом, ондулятор — это устройство связи оптической волны и релятивистского потока электронов.
Другим важным элементом ЛСЭ являются зеркала резонаторов. Имеется некоторая тенденция считать, что вопрос о зеркалах уже решен в традиционной лазерной оптике, но это далеко не так. Совершенствование качества зеркал необходимо во всех областях лазерной физики, и это особенно важно для ЛСЭ, в частности благодаря следующим требованиям. Во-первых, это требование к коэффициенту отражения зеркал, которое является решающим для ЛСЭ с малым усилением, особенно в видимом и УФ диапазонах. Необходимо, чтобы зеркала имели устойчивое широкополосное покрытие. Получение оптимального коэффициента отражения зеркал представляет собой засекреченную область исследований, но достижение R~0,9995 в видимом диапазоне возможно благодаря использованию многослойных (например, порядка 20) интерференционных пленок, а величину R>50% можно теперь получать для длин волн порядка 100*10-10 м. Разлагая коэффициент отражения в ряд Тейлора можно получить его зависимость по радиусу. Такая зависимость может оказаться полезной при контроле неустойчивости боковых полос, которая, как полагают, может вызвать осложнения при работе ЛСЭ в режиме большого уровня мощности. Во-вторых, в случае работы ЛСЭ на накопителе, энергия электронов которого составляет 100 – 200 МэВ, мощное УФ синхротронное излучение будет очень быстро приводить к разрушению покрытия зеркал с высоким коэффициентом отражения. По этому разработка устойчивых к УФ излучению зеркальных покрытий с высоким коэффициентом отражения представляет собой необходимое условие успешной разработки ЛСЭ, использующих энергию накопительного кольца. В-третьих, в ЛСЭ с большим уровнем мощности в коротковолновом диапазоне диссипация энергии на зеркале может привести к разрушению его поверхности. Например, выходную мощность ЛСЭ, равную 10 МВт, при 1%-ном коэффициенте пропускания зеркала не следует рассматривать как очень высокую, хотя в резонаторе она будет около 1 ГВт. Небольшая доля этой мощности должна рассеиваться подложкой зеркала без прогрессирующего поверхностного разрушения. Хотя в резонаторе импульсная мощность 1 ГВт не вызывает каких-то осложнений при существующей технологии, некоторые ускорители создают электронные пучки очень высокой мощности, а это неизбежно приведет к соответствующим трудностям при реализации потенциальных возможностей ЛСЭ. Наконец, успешное развитие длинноволновых ЛСЭ связано с применением обратной связи типа распределенных отражающих элементов ("распределенная обратная связь"), разработка которых находится еще в стадии исследований.