Введение к работе
Актуальность проблемы. Последние достижения лазерной физики в реализации сверхмощных полей когерентного светового излучения, превышающие уже 1021 Вт/см% открывают новые возможности для проявления релятивистских нелинейных явлений при взаимодействии электронов со столь плотными фотонными полями в самых разнообразных ситуациях. Стремление использовать сильные лазерные поля высокой степени когерентности для ускорения заряженных частиц стимулировало в 70-ые годы исследование взаимодействия заряженных релятивистских частиц с интенсивным электромагнитным излучением. Эти исследования привели к созданию лазеров на свободных аіектронах (ЛСЭ). Последние в настоящее время являются одним из возможных механизмов создания рентген- и 7_ лазеров. Эта задача, также задача лазерного ускорения заряженных частиц, еще далека от воплощения, хотя основные теоретические представления взаимодействия заряженных релятивистских частиц с интенсивным электромагнитным излучением уже сформировались. Отметим также, что индуцированные свободно-свободные переходы являются одним из основных механизмов лазерного нагрева плазмы, э последний имеет прямое отношеие к задаче термоядерного синтеза.
Теоретическое решение этих проблем сводится к исследованию таких процессов, в которых взаимодействие свободных электронов с электромагнитным излучением протекает с реальным энергообменом, т.е. возможно когерентное превращение энергии электромагнитного поля излучения в кинетическую энергию частиц, или - обратное превращение. Хотя основные в ряду этих процессов - черепковский, комптоновский, ондуляторный процессы достаточно хорошо исследованы и в линейном, и в нелинейном режимах, однако остаются еще серезные пробелы в общей квантовой картине взаомодействия, связанные, в частности, с тем, что квантовая задача во многих случаях описывается уравнением Матье, не имеющего точного аналитического решения.
С другой стороны, в настоящее время большие усилия направлены на поиски оптимизации схем усилений, а также различных комбинированных механизмов. Другое направление, ставшееся особенно актуальным в последние годы, это исследование излучательиых процессов с использованием интерферирующих одноэлектронных квантовых состояний и его применение для генерации когерентного коротковолнового излучения.
В теории вынужденного тормозного эффекта является актуальным развитие релятивистского квантового описания процессов рассеяния на произвольном электростатическом потенциале в сврхсильпых лазерных полях, когда имеется сильная взаимосвязь динамики рассеяния и излучения.
Цель работы. Исследовать квантовую картину нелинейного взаимодействия заряженных частиц с когерентным электромагнитным излучением в среде. Исследовать релятивистскую квантовую динамику вынужденного тормозного эффекта. Исследовать возможность увеличения коэффициента усиления волны введением среды в вакуумные механизмы усиления. Исследовать усиление волны в поверхностном черепковском процессе с помощью незамагниченных электронных пучков. Исследовать возможность нелинейного усиления рентгеновского излучения пучком каналированных электронов. Исследовать динамику когерентного взаимодействия пучка заряженных частиц с электромагнитным излучением в различных процессах, приводящих к классической группировке пучка или образованию квантово-модулированных состояний частиц.
Научная новизна работы. Развит новый подход к решению уравнения Матье, к которому сводятся релятивистские квантовые уравнения движения заряженных частиц в поле плоско-монохроматической волны в среде, на основе точного решения обобщенного уравнения Еаїу. Выявлена зонная структура для собственных значений параметров состояний частицы в поле волны в среде. Развита секулярная теория возмущений в точном резонансе для индуцированного черенковского процесса.
Установлено явление конверсии угловых и энергетических разбросов в процессе "отражения" электронного пучка от лазерного импульса в среде, в магнитном и электрическом ондуляторах, а также в поле встречных волн, приводящее к сужению энергетического или углового разбросов.
Развито новое - обобщенное эйкональное приближение для описания релятивистской квантовой динамики вынужденного тормозного эффекта при рассеянии на прозвольном потенциале.
Выявлен резонансный характер вынужденного низкочастотного тормозного излучения на одномерном потенциальном барьере в поле сильной высокочастотной волны накачки.
Найден режим безинверсионного рентген-лазера на основе излучения каналированных электронов.
Предложена схема лазера на свободных электронах в рентгеновском диапазоне на основе когерентного тормозного излучения в кристалле.
Показана возможность осуществления поверхностного
черенковского лазера незамагниченным электронным пучком. Показано подавление роли угловых разбросов электронного пучка в поверхностном черепковском процессе.
Выявлена роль многофотонных процессов вблизи черенковского конуса на коэффициент усиления в процессе вынужденного комптоновского и циклотронного излучений при сверхсветовом движении электронов.
Практическая ценность. Исследованные в диссертации вопросы имеют непосредственное применение в реализации ЛСЭ и свободно-свободных, а также связанно-свободных индуцированных переходов в сверхсильных лазерных полях. Предложены ряд новых и комбинированных схем ЛСЭ для продвижения в коротковолновую область излучения. Предложены методы уменьшения энергетических или угловых разбросов пучков заряженных частиц в ускорителях.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на семинарах кафедры теоретической физики и научно-исследовательской лаборатории физики плазмы Ереванского государственного университета, на семинарах ФИАН СССР (Москва, 1981, 1982), Института квантовой динамики Альберт-Людвигс-Университета Фрайбурга (Фрайбург, Германия, 1998, 1999), на сессии Международной школы по квантовой оптике и новым источникам излучения (МЦТФ, Триест, Италия, 1997), на 5-ой международной конференции по многофотонным процессам (1С0МР'5, Париж, Франция, 1990), LASERS'95 (Мак Лин, США, 1995), ЕСАМР-5 (Эдинбург, Великобритания, 1995), Х-96 (Гамбург, Германия, 1996), CLEO/EQEC96 (Гамбург, Германия, 1996), LASERS'96 (Портлэнд, США, 1996), CLEO/EQEC98 (Глазго, Великобритания, 1998), ЕСАМР-6 (Сиена, Италия, 1998), Ultraintense Laser Interaction-J (Элаунда, Греция, 1999), Atoms in Extreme Fields (Дрезден, Германия, 2000).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 27 работ, список прилагается.
Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и списка цитированной литературы. Полный объем диссертации составляет 219 страниц текста, включая 4 таблицы и 3 рисунка. Библиография содержит 302 наименований.
