Поляризация излучения ондуляторов

Синхротронное излучение, испускаемое электронами в ондуляторах, обладает рядом уникальных свойств, одно из которых — выраженная поляризация, связанная с характером движения заряженных частиц в магнитном поле. Поляризация излучения играет ключевую роль при экспериментах, требующих управления состоянием света, например, в спектроскопии, исследовании магнетизма и изучении структуры вещества.

Основные принципы формирования поляризации

Ондулятор представляет собой последовательность периодических магнитных структур, создающих чередующиеся магнитные поля. Электроны, проходя через этот периодический магнитный потенциал, вынуждены совершать колебательное движение, что приводит к излучению, спектр и поляризация которого строго определяются геометрией ондулятора и свойствами электронного пучка.

Ключевые моменты:

• Линейная поляризация возникает в плоскости, параллельной направлению колебаний электрона.
• Циркулярная или эллиптическая поляризация формируется при сдвиге фаз колебаний в двух ортогональных направлениях.
• Поляризация зависит от угла наблюдения относительно оси ондулятора и длины волны излучения.

Линейная поляризация

Для стандартного плоского ондулятора, где магнитное поле ориентировано перпендикулярно оси пучка, электроны совершают колебания в одной плоскости. В этом случае излучение:

• В центральной зоне пучка обладает почти полной линейной поляризацией.
• Поляризационный вектор ориентирован в плоскости колебаний электрона, что соответствует горизонтальной или вертикальной поляризации в зависимости от конструкции ондулятора.
• Вблизи оси наблюдения линейная поляризация максимальна, а с увеличением угла наблюдения наблюдается снижение степени поляризации.

Круговая и эллиптическая поляризация

Для двухплоскостных ондуляторов с фазовым сдвигом магнитных полей в ортогональных направлениях возможно создание круговой или эллиптической поляризации:

• Круговая поляризация формируется, если колебания в двух плоскостях равны по амплитуде и имеют сдвиг фаз ±π/2.
• Эллиптическая поляризация возникает при неравных амплитудах или сдвиге фаз, отличном от ±π/2.
• Эти состояния особенно востребованы для исследований магнитных материалов, где направление вращения электрического вектора света может взаимодействовать с магнитным моментом образца.

Зависимость поляризации от угла наблюдения

Поляризация излучения ондулятора характеризуется сильной угловой зависимостью:

• Вблизи оси пучка линейная поляризация максимально выражена.
• При отклонении от оси по вертикали или горизонтали структура поляризации усложняется: появляется смешанная (эллиптическая) компонента.
• Феномен связан с геометрическим преобразованием поляризационных компонентов, обусловленным направлением вектора наблюдения относительно траектории электрона.

Математически степень линейной поляризации P_L описывается через интенсивности ортогональных компонентов I_x и I_y:

$$ P_L = \frac{I_x - I_y}{I_x + I_y} $$

Поляризация в гармониках

Излучение ондулятора состоит из основной гармоники и высоких гармоник:

• Первая гармоника обладает наиболее выраженной линейной поляризацией.
• Высшие гармоники демонстрируют усложненную структуру поляризации, часто с переходом в эллиптическую.
• Изменение амплитуды и фазы гармоник позволяет тонко настраивать поляризационные свойства для конкретных экспериментальных задач.

Практическое значение

Поляризация излучения ондуляторов критична в следующих областях:

1. Синхротронная спектроскопия — выбор поляризации позволяет выделять электронные переходы, чувствительные к ориентации поляризационного вектора.
2. Исследование магнитных свойств материалов — круглая поляризация используется для изучения магнитного кругового дихроизма.
3. Оптика рентгеновских лазеров и когерентного излучения — управление поляризацией обеспечивает согласованное взаимодействие света с квантовыми системами.