Когерентность синхротронного излучения

Понятие когерентности

Когерентность в физике излучения описывает согласованность фазовых соотношений электромагнитных волн, испускаемых источником. Для синхротронной радиации (СР), которая возникает при ускорении заряженных частиц в магнитных полях с релятивистскими скоростями, когерентность играет ключевую роль в описании пространственных и временных свойств пучка фотонов.

Различают два основных типа когерентности:

  • временная когерентность — связана с корреляцией фаз на разных временных срезах;
  • пространственная когерентность — характеризует согласованность фаз излучения в различных точках фронта волны.

Эти два аспекта когерентности неразрывно связаны с энергетическим спектром СР, геометрией ускоряющей системы и статистикой пучка электронов.

Временная когерентность и длина когерентности

Временная когерентность определяется спектральным составом излучения. Для синхротронного излучения характерен широкий непрерывный спектр, простирающийся от радиодиапазона до рентгеновских и гамма-лучей.

Длина когерентности lc связана с шириной спектра излучения Δν соотношением

$$ l_c \approx \frac{c}{\Delta \nu}, $$

где c — скорость света.

  • При узкой спектральной полосе (например, при использовании монохроматора или когерентного усиления) длина когерентности возрастает.
  • В естественных условиях СР имеет большую ширину спектра, и, соответственно, длина когерентности оказывается малой, что ограничивает возможности для интерференционных экспериментов без дополнительной фильтрации.

Временная когерентность критически важна для таких приложений, как рентгеновская когерентная дифракция, голография и исследования динамических процессов с высоким временным разрешением.

Пространственная когерентность и угловое распределение

Пространственная когерентность СР обусловлена малым угловым расхождением излучения, которое в релятивистском случае концентрируется в узком конусе порядка 1/γ, где γ — фактор Лоренца электрона.

Для синхротронных источников важна оценка функции когерентности по координатам:

$$ \gamma(\mathbf{r}_1, \mathbf{r}_2) = \frac{\langle E(\mathbf{r}_1) E^*(\mathbf{r}_2) \rangle}{\sqrt{\langle |E(\mathbf{r}_1)|^2 \rangle \langle |E(\mathbf{r}_2)|^2 \rangle}}, $$

где E(r) — электрическое поле в точке наблюдения.

Высокая пространственная когерентность рентгеновского излучения в синхротронах делает возможным получение изображений с субнанометровым разрешением без применения линзовой оптики, а также использование методов когерентного рассеяния и фазоконтрастной микроскопии.

Влияние статистики электронного пучка

Электронный пучок, движущийся по орбите в магнитной системе, состоит из конечного числа электронов, распределённых по длине и фазе. Статистические флуктуации этого распределения определяют когерентные и некогерентные свойства излучения.

  • Некогерентный режим: излучение отдельных электронов суммируется по интенсивности. Это типичный случай для большинства частот спектра.
  • Когерентный режим: при длине волны излучения, сравнимой или превышающей продольный размер электронного bunch-а, амплитуды волн складываются согласованно, и мощность растёт как N2, где N — число электронов.

Когерентное синхротронное излучение (CSR, Coherent Synchrotron Radiation) наиболее заметно проявляется в терагерцовом и инфракрасном диапазонах и активно используется в современных ускорительных комплексах.

Когерентное синхротронное излучение (CSR)

В условиях, когда электронный bunch имеет субмиллиметровую длину, становится возможным генерация мощного когерентного излучения. Основные характеристики CSR:

  • значительное усиление интенсивности в длинноволновом диапазоне;
  • наличие структур в спектре, связанных с формой bunch-а;
  • сильное влияние на динамику пучка за счёт обратного взаимодействия с собственным излучением (эффекты микропучкования).

CSR является предметом особого интереса в физике ускорителей, так как позволяет получать интенсивные источники ТГц- и ИК-излучения для спектроскопии, исследования сверхбыстрых процессов и разработки новых лазерных технологий.

Методы повышения когерентности

Для практических применений важна задача увеличения когерентности СР. Основные методы:

  1. Оптимизация параметров пучка — уменьшение эмиттанса и энергии разброса электронов.
  2. Использование лазерного модулирования пучка — позволяет формировать микро- или наноструктуры в электронном bunch-е для генерации когерентного излучения в определённом спектральном диапазоне.
  3. Резонансные устройства (ондуляторы и вигглеры) — формируют узкополосное излучение с высокой степенью когерентности.
  4. Фазовые и временные корреляции — контроль над распределением электронов по фазе позволяет управлять когерентностью.

Значение когерентности в прикладных исследованиях

Высокая когерентность СР стала основой для целого класса современных методов:

  • когерентная рентгеновская томография;
  • фазоконтрастная визуализация биологических образцов;
  • когерентная дифракционная микроскопия;
  • исследования неупорядоченных и наноструктурированных систем;
  • терагерцовая спектроскопия веществ в когерентном режиме.

Эти методы позволяют получать структурную и динамическую информацию о системах на уровнях, недоступных для традиционных источников излучения.

Оглавление