Free-Electron Lasers in the Ultraviolet and X-Ray Regime: Physical Principles, Experimental Results, Technical Realization

هدف اصلی کتاب ارائه یک رویکرد سیستماتیک و آموزشی به فیزیک و فناوری لیزرهای الکترون آزاد است. از ارقام متعددی برای نشان دادن ایده ها و مفاهیم زیربنایی استفاده شده است و پیوندهایی با سایر رشته های فیزیک ارائه شده است. پس از مقدمه‌ای بر تابش موج‌ساز و FEL کم بهره، تئوری یک بعدی FEL با بهره بالا به روشی سیستماتیک توسعه یافته است. تاکید ویژه ای بر توضیح و توجیه مفروضات و تقریب های مختلفی است که برای به دست آوردن معادلات دیفرانسیل و انتگرال حاکم بر دینامیک FEL مورد نیاز است. راه حل های تحلیلی و عددی ارائه شده و پارامترهای مهم FEL مانند طول بهره، پهنای باند FEL و توان اشباع تعریف شده است. یکی از مهم‌ترین ویژگی‌های یک FEL با بهره بالا، تشکیل ریزگردها، به طور طولانی مورد مطالعه قرار گرفته است. افزایش طول بهره ناشی از گسترش انرژی پرتو، نیروهای بار فضایی، و اثرات سه بعدی مانند نوسانات بتاترون و پراش نوری مورد تجزیه و تحلیل قرار می‌گیرد. مکانیسم انتشار خودبه‌خودی تقویت‌شده به صورت تئوری توصیف شده و با نتایج تجربی متعدد نشان داده شده است. روش‌های مختلف کاشت FEL توسط تشعشع خارجی منسجم همراه با نتایج تجربی معرفی شده‌اند. اولین FEL اشعه ایکس نرم جهان، تسهیلات کاربر FLASH در DESY، با جزئیاتی شرح داده شده است تا تصوری از پیچیدگی چنین منبع نور مبتنی بر شتاب‌دهنده ارائه شود. فصل آخر به FELهای پرتو ایکس سخت جدید اختصاص دارد که تشعشعات بسیار شدیدی را در رژیم آنگستروم ایجاد می کنند. ضمیمه ها حاوی مطالب تکمیلی و محاسبات بیشتر هستند.

The main goal of the book is to provide a systematic and didactic approach to the physics and technology of free-electron lasers. Numerous figures are used for illustrating the underlying ideas and concepts and links to other fields of physics are provided. After an introduction to undulator radiation and the low-gain FEL, the one-dimensional theory of the high-gain FEL is developed in a systematic way. Particular emphasis is put on explaining and justifying the various assumptions and approximations that are needed to obtain the differential and integral equations governing the FEL dynamics. Analytical and numerical solutions are presented and important FEL parameters are defined, such as gain length, FEL bandwidth and saturation power. One of the most important features of a high-gain FEL, the formation of microbunches, is studied at length. The increase of gain length due to beam energy spread, space charge forces, and three-dimensional effects such as betatron oscillations and optical diffraction is analyzed. The mechanism of Self-Amplified Spontaneous Emission is described theoretically and illustrated with numerous experimental results. Various methods of FEL seeding by coherent external radiation are introduced, together with experimental results. The world’s first soft X-ray FEL, the user facility FLASH at DESY, is described in some detail to give an impression of the complexity of such an accelerator-based light source. The last chapter is devoted to the new hard X-ray FELs which generate extremely intense radiation in the Angstrøm regime. The appendices contain supplementary material and more involved calculations.