近區場電子激光器的制造方法
【技術領域】
[0001] 這種近區場電子激光器由振蕩電子近區場能量產生，它包括光源和密封容器兩部 分。它的工作物質是電子。密封容器內充滿電子氣，光源產生入射光，在入射光照射下，電 子將會作受迫振動，類似于一個振蕩電偶極子，并發射次級電磁波，令密封容器內電子間的 平均距離遠小于入射光的波長，使振蕩電子處于彼此的近區場，當入射光的電場強度方向 和兩個振蕩電子的電矩在同一徑向直線上且同向時，振蕩電子之間是徑向吸引力，在入射 光電場強度及徑向吸引力作用下，電子將會在同一徑向直線上且同向振動，并且頻率、振幅 和相差恒定，類似于由N條相同天線沿徑向等距排列成的天線陣，利用各振蕩電子輻射的 干涉效應來獲得較強的方向性及強度，形成激光。
【背景技術】
[0002] 自由電子激光相干性不夠好。普通激光需要復雜的透鏡和冷卻系統。

【發明內容】

[0003] 為了解決以上問題，本發明提供一種近區場電子激光器。這種近區場電子激光由 振蕩電子近區場能量產生，它包括光源和密封容器兩部分。它的工作物質是電子。密封容 器內充滿電子氣，光源產生入射光，在入射光照射下，電子將會作受迫振動，類似于一個振 蕩電偶極子，并發射次級電磁波，令密封容器內電子間的平均距離遠小于入射光的波長，使 振蕩電子處于彼此的近區場，當入射光的電場強度方向和兩個振蕩電子的電矩在同一徑向 直線上且同向時，振蕩電子之間是徑向吸引力，在徑向吸引力作用下，電子將會在同一徑向 直線上且同向振動，并且頻率、振幅和相差恒定，類似于由N條相同天線沿極軸等距排列成 的天線陣，利用各振蕩電子輻射的干涉效應來獲得較強的方向性，形成激光。
[0004] 這種近區場電子激光器基于以下的原理：
[0005] 電子帶負電荷，在入射光照射下，電子將會作受迫振動，類似于一個振蕩電偶極 子，并將發射次級電磁波。
[0006] 當入射光的電場強度方向和兩個振蕩電偶極子的電矩在同一徑向直線上且同向 時，兩振蕩電偶極子之間是相互吸引的徑向作用力，也就是說，兩個振蕩電子之間是相互吸 引的徑向作用力。
[0007] 根據光的電磁理論，光是由加速電荷產生。高速加速電荷通常只存在于電子加速 器和其它高能粒子加速器或宇宙空間中，普通的實驗室光源，例如紫外光，可以認為是由低 速加速電荷產生的，低速加速電荷可以考慮為振蕩電偶極子。
[0008] 設入射光由低速加速電荷產生，設低速加速電荷帶電量為Q，振幅為a，頻率為《， 則這個振蕩電偶極子的輻射電場為^ :
[0009]
[0010]式中￡。是真空介電常數，c是真空光速，R是觀察點到振蕩電偶極子中心的距離。
[0011] 令
[0012]
[0013]貝1J公式⑴變為
[0014]
[0015] 電場強度;^將會使電子作受迫振動，類似于一個振蕩電偶極子，它的振蕩頻率 等于入射光的頻率《，并發射次級電磁波。
[0016] 設電子1的帶電量為qe，振幅為，在球坐標中，振蕩電子1的近區電場強度和磁 場強度分別為：
[0017]
[0018]
[0019]
[0020] 式中r是觀察點到振蕩電子1中心的距離，是入射光的波 長。
[0021] 設振蕩電子2在觀察點，因此振蕩電子1和振蕩電子2的距離是r。當電場強度 耳斤沿f方向時，9 = 〇,公式⑷、（5)和（6)變為
[0022]
[0023]
[0024]
[0025] 振蕩電子2在電場強度;^和:^作用下作簡諧受迫振動，其振蕩頻率等于入射 光的頻率《，并將發射次級電磁波。設其質量為％，帶電量為，振幅為1 2，則振蕩電子2在 7方向上的運動方程為：
[0026]
[0027]式中是振蕩電子2的固有頻率，Y是阻尼系數，
[0028]
[0030]
[0029] RI為V < < ?,所以
[0031]
[0032] 因為振蕩電子2可以考慮為振蕩電偶極子，定義振蕩電子2的電偶極矩為g并沿 T7方向，則
[0033]
[0034] 電場強度％和距離r沒有關系，因此不會給振蕩電子2 f方向的力。
[0035] 振蕩電子1的近區電場強度;^將會給振蕩電子2 f方向的力FN，電場強度;^、 振蕩電子1和振蕩電子2的電矩沿r連線且同向，
[0036]
[0037]
[0038]
[0039] 由公式（16)可知，在近區，振蕩電子1和振蕩電子2之間有f方向上的吸引力。[0040] 電子1和電子2之間有庫侖斥力Fc:
[0041]
[0042]
[0043]
[0044]時，
[0045] Fn+Fc< 0 (19)
[0046] 在入射光電場強度及近區場徑向吸引力FN作用下，這些電子將在同一徑向直線上 且同向振動，并且頻率、振幅和相差恒定，類似于由N條相同天線沿徑向等距排列成的天線 陣，利用各條天線輻射的干涉效應來獲得較強的方向性，形成激光。（參考文獻1).
[0047] 由于振蕩電子1和振蕩電子2質量和電荷都相等，振蕩電子1和振蕩電子2可以 互換，因此振蕩電子1和振蕩電子2的振幅相等，同理可知密封容器里振蕩電子的振幅都相 等，
[0048]ln=lnl =…=12= 1F1 (20)
[0049] 式中ln是振蕩電子n的振幅，1ni是振蕩電子n-1的振幅。
[0050] 因為入射光電場強度和及近區場徑向吸引力^同時作用于密封容器里內電子，因 此密封容器里內電子的振蕩頻率和相位相同，振蕩電子1的輻射電場強度為E。，
[0051]
[0052]振蕩電子2的輻射與振蕩電子1的輻射有相位差krcos0，余類推，因此總輻射電 場為E，
[0053]
[0054] 因而角分布為每個振蕩電子的角分布乘上因子
[0055]
[0056] 此式當
[0057] nkr cos9=2mJr，m=±l，±2... (24)
[0058] 時有零點，沿這些方向的輻射為零。角分布分為若干瓣，輻射能量主要集中在主瓣 內。令V= 主瓣的張角$由下式確定：
[0059] nkr sin 邊=2 JT (25)
[0060]即
[0061]
[0062]當
[0063] nr>>A (27)
[0064] 時，也就是密封容器內電子數和電子之間的距離之積遠遠大于波長時，可以獲得 高度定向的輻射。
[0065] 根據以上近區場電子激光器原理，先將密封容器抽真空，使密封容器內壓強低于 lPa，再將電子氣注入，為使振蕩電子處于彼此的近區場，密封容器內電子間的平均距離應 遠小于入射光的波長，r<<A。也就是電子數密度遠遠大于入射光波長的負三次方。從 入射光波長可知需要的粒子數密度。
[0066] 因密封容器內充滿電子氣，密封容器應該使用玻璃或塑料制成。
[0067] 用入射光照射電子，使入射光的電場強度方向和振蕩電子的電矩在同一徑向直線 上且同向。從公式（2)、（16)可以看到，振蕩電子1和振蕩電子2之間的吸引力F隨著A和 ?的增大而增大，隨著距離r的減少而增大，A隨著Q的增大而增大，A隨著R的減少而增 大。因此，要增大激光器的輻射強度以及方向性，可以通過增大入射光的頻率、增大產生入 射光的加速電荷的帶電量Q和振幅a、減少振蕩電子與產生入射光的加速電荷之間的距離、 增加振蕩電子數來實現。
[0068] 入射光可采用激光，也可以用平行單色光。
[0069] 也可以使電子對撞，進入彼此的近區場，再用入射光照射對撞中的電子，產生激 光。
【具體實施方式】
[0070] 下面介紹一具體實施例，【具體實施方式】不局限于此例。
[0071] 如果密封容器內有空氣，空氣分子的熱動能將會影響激光器的輻射強度以及方向 性，所以要先將密封容器抽真空，使密封容器內壓強低于lPa。抽真空后，再將電子氣注入， 為使振蕩電子處于彼此的近區場，密封容器內電子間的平均距離應遠小于入射光的波長，r <<A。因為電子間的平均距離r和電子數密度p有如下關系：
[0072]
[0073] 兇此電于數嵆度P和人射光的波長A有如下關系：
[0074] p>>A3 (29)
[0075] 也就是電子數密度遠遠大于入射光波長的負三次方。從入射光波長可知需要的電 子數密度。
[0076] 因為電子是從氣體電離產生的，氫分子有2個電子，每摩爾氫氣有6. 023X1023個 氫分子，從入射光波長可知需要電離的氫氣摩爾數。
[0077] 因密封容器內充滿電子氣，密封容器應該使用玻璃或塑料制成。
[0078] 電子氣注入后，用入射光照射電子，使振蕩電子處于彼此的近區場，使入射光的電 場強度方向和振蕩電子的電矩在同一徑向直線上且同向，要增大激光器的輻射強度以及方 向性，可以通過增大入射光的頻率、增大產生入射光的加速電荷的帶電量Q和振幅a、減少 振蕩電子與產生入射光的加速電荷之間的距離、增加振蕩電子數來實現。
[0079] 參考文獻：
[0080] 1，
[0081] 郭碩鴻，電動力學，第二版，高等教育出版社，210-211。
【主權項】
1. 近區場電子激光器，其特征在于：它包括光源和密封容器，密封容器內充滿電子氣， 光源產生入射光，入射光是平行單色光，密封容器內電子間的平均距離遠小于入射光的波 長，電子數密度遠遠大于入射光波長的負三次方，密封容器內電子數和電子之間的距離之 積遠遠大于入射光波長，振蕩電子處于彼此的近區場，入射光的電場強度方向和兩個振蕩 電子的電矩在同一徑向直線上且同向，振蕩電子之間是徑向吸引力，電子都在同一徑向直 線上且同向振動，并且頻率、振幅和相差恒定，利用各振蕩電子輻射的干涉效應來獲得較強 的方向性和強度，形成激光。2. 根據權利要求1所述的近區場電子激光器，其特征在于：要增大近區場電子激光器 的輻射強度以及方向性，可以通過增大入射光的頻率、增大產生入射光的加速電荷的帶電 量和振幅、減少振蕩電子與產生入射光的加速電荷之間的距離、增加振蕩電子數來實現。
【專利摘要】這種近區場電子激光器由振蕩電子近區場能量產生，它包括光源和密封容器兩部分。它的工作物質是電子。密封容器內充滿電子氣，光源產生入射光，在入射光照射下，電子將會作受迫振動，類似于一個振蕩電偶極子，并發射次級電磁波，令密封容器內電子間的平均距離遠小于入射光的波長，使振蕩電子處于彼此的近區場，當入射光的電場強度方向和兩個振蕩電子的電矩在同一徑向直線上且同向時，振蕩電子之間是徑向吸引力，在入射光電場強度及徑向吸引力作用下，電子將會在同一徑向直線上且同向振動，并且頻率、振幅和相差恒定，類似于由N條相同天線沿徑向等距排列成的天線陣，利用各振蕩電子輻射的干涉效應來獲得較強的方向性及強度，形成激光。
【IPC分類】H01S1/06
【公開號】CN105186264
【申請號】CN201510740510
【發明人】龔炳新
【申請人】龔炳新
【公開日】2015年12月23日
【申請日】2015年10月28日