ON THE INFLUENCE OF ELECTRON BEAM CHARACTERISTICS ON HARMONIC RADIATION IN SINGLE-PASS FREE-ELECTRON LASERS

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

Currently, coherent radiation of free‑electron lasers (FEL) is increasingly being used in many fields of science and technology. In applied and theoretical research, an important effect is the nonlinear second harmonic generation in materials and on surfaces as a response to irradiation. FELs are used as light sources that generate coherent radiation in the range from visible to X‑ray. However, the second harmonic of the FEL itself is undesirable as it masks the studied response at the same frequency. We analytically investigate the influence of electron beam parameters on FEL radiation; study the generation of harmonics, especially the second; analyze the main factors causing the appearance of the second harmonic in the FEL spectrum. The influence of beam parameters is examined: cross‑section, emittance, Twiss parameters, and energy spread, both separately and together, on the gain length and FEL harmonic generation using the well‑documented LEUTL FEL as an example. The effect of these parameters on the radiation power of harmonics, especially the second, is analyzed. The influence of the undulator field harmonic on FEL harmonic radiation is also investigated. It is proposed to increase the electron energy spread twofold to the maximum possible value that ensures electron bunching while simultaneously reducing the second harmonic content in the FEL spectrum by one to two orders of magnitude. It is also suggested to use a weak undulator field harmonic for the same purpose – to suppress the FEL harmonic.

About the authors

K. V. Zhukovskiy

Lomonosov Moscow State University, Faculty of Physics

Author for correspondence.
Email: zhukovsk@physics.msu.ru
Russian Federation, 119991, Moscow

References

  1. В.Л. Гинзбург, Изв.АН СССР (Физика) 11, 165 (1947).
  2. H. Motz, W. Thon, and R.N. J. Whitehurst, Appl. Phys. 24, 826 (1953).
  3. J.M. Madey, J.Appl.Phys. 42, 1906 (1971).
  4. G. Margaritondo, Rivista del Nuovo Cimento 40, 411 (2017).
  5. В. Г. Багров, Г.С. Бисноватый-Коган, В.А. Бордовицын и др., Теория излучения релятивистских частиц, Физматлит, Москва (2002).
  6. И.М. Тернов, В. В. Михайлин, В.Р. Халилов, Синхротронное излучение и его применения, Изд-во МГУ, Москва (1980).
  7. G. Margaritondo, Characteristics and Properties of Synchrotron Radiation, in Synchrotron Radiation, ed. by S. Mobilio, F. Boscherini, and C. Meneghini, Springer, Berlin, Heidelberg (2015).
  8. B.W. J. McNeil and N.R. Thompson, Nature Photonics 4, 814 (2010).
  9. C. Pellegrini, A. Marinelli, and S. Reiche, Rev.Mod. Phys. 88, 015006 (2016).
  10. P. Schmuser, M. Dohlus, J. Rossbach, and C. Behrens, Free-Electron Lasers in the Ultraviolet and XRay Regime, Springer Tracts Mod. Phys., 258, Cham (ZG): Springer Int.Publ. (2014).
  11. Z. Huang and K. J. Kim, Phys.Rev. ST Accel.Beams 10, 034801 (2007).
  12. G. Margaritondo and P.R. Ribic, J. Synchrotron Rad. 18, 101 (2011).
  13. E. L. Saldin, E.A. Schneidmiller, and M.V. Yurkov, The Physics of Free Electron Lasers, Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg (2000).
  14. R. Bonifacio, C. Pellegrini, and L. Narducci, Opt. Comm. 50, 373 (1984).
  15. T. Sumi, M. Horio, T. Senoo et al., E-J. Surf. Sci.Nanotech. 20, 31 (2021), doi: 10.1380/ejssnt.2022-002.
  16. S. Shwartz, M. Fuchs, J. B. Hastings et al., Phys.Rev. Lett. 112, 163901 (2014).
  17. S. Yamamoto, T. Omi, H. Akai et al., Phys.Rev. Lett. 120, 223902 (2018).
  18. E. Berger, S. Jamnuch, C. Uzundal et al., arXiv: 2010.03134.
  19. R.K. Lam, S. L. Raj, T.A. Pascal et al., Phys.Rev. Lett. 120, 023901 (2018).
  20. L. Wu, S. Patankar, T. Morimoto et al., Nature Phys. 13, 350 (2016).
  21. M. Nuriya, S. Fukushima et al., Nature Commun. 7, 11557 (2016).
  22. C. P. Schwartz, S. L. Raj, S. Jamnuch et al., arXiv: 2005.01905.
  23. P. J. Campagnola and L.M. Loew, Nature Biotechnol. 21, 1356 (2003).
  24. T. Helk, E. Berger, S. Jamnuch et al., Sci.Adv. 7, 2265 (2021).
  25. G. Boyd, T. Bridges, and E. Burkhardt, IEEE J.Quant.Electron. 4, 515 (1968).
  26. G.C. Bhar, S. Das, and K. L. Vodopyanov, Appl. Phys.B 61, 187 (1995).
  27. K. Zhukovsky, Opt. Laser Technol. 131, 106311 (2020).
  28. K. Zhukovsky, Eur.Phys. J. Plus 136, 714 (2021).
  29. K. Zhukovsky, Ann.Phys. 533, 2100091 (2021).
  30. K. Zhukovsky, Rad.Phys.Chem. 189, 109698 (2021).
  31. K. Zhukovsky, Opt. Laser Technol. 143, 107296 (2021).
  32. K. Zhukovsky, Results Phys. 19, 103361 (2020).
  33. K. Zhukovsky and I. Fedorov, Symmetry 13, 135 (2021).
  34. J.R. Henderson, L.T. Campbell, H.P. Freund, and B.W. J. McNeil, New J. Phys. 18, 062003 (2016).
  35. H.P. Freund, P. J.M. van der Slot, D. L.A.G. Grimminck et al., New J. Phys. 19, 023020 (2017).
  36. H.P. Freund and P. J.M. van der Slot, New J.Phys. 20, 073017 (2018).
  37. P. Emma, R. Akre, J. Arthur et al., Nature Photonics 4, 641 (2010).
  38. D. Ratner, A. Brachmann, F. J. Decker et al., Phys.Rev. ST Accel.Beams 14, 060701 (2011).
  39. S.V. Milton, E. Gluskin, N.D. Arnold et al., Science 292, 2037 (2001).
  40. S.G. Biedron et al., Nucl. Instrum.Meth.A 483, 94 (2002).
  41. L. Giannessi et al., Phys.Rev. ST Accel.Beams 14, 060712 (2011).
  42. К.В.Жуковский, Изв. вузов. Физика 62, 109 (2019) [K.V. Zhukovsky, Russ.Phys. J. 62 (6), 1043 (2019)].
  43. H.P. Freund and P. J.M. van der Slot, J. Phys.Commun. 5, 085011 (2021).
  44. K. Zhukovsky and A. Kalitenko, J. Synchrotron Rad. 26, 159 (2019).
  45. К.В.Жуковский, А.М. Калитенко, Изв. вузов. Физика 62, 153 (2019) [K.V. Zhukovsky and A.M. Kalitenko, Russ.Phys. J. 62 (2), 354 (2019)].
  46. К.В.Жуковский, УФН 191, 318 (2021) [K.V.Zhukovsky, Physics-Uspekhi 64, 304 (2021)].
  47. B. Prakash, V. Huse, M. Gehlot, and G. Mishra, Optik 127, 1639 (2016).
  48. V. L. Bratman, N. S. Ginzburg, and M. I. Petelin, Opt.Comm. 30, 409 (1979).
  49. M. Xie, Nucl. Instrum.Meth.A 445, 59 (2000).
  50. M. Xie, Proc. 1995 Particle Accelerator Conf., IEEE, Piscataway, NJ, 183 (1995).
  51. G. Dattoli, P. L. Ottaviani, and S. Pagnutti, J.Appl. Phys. 97, 113102 (2005).
  52. G. Dattoli, L. Giannessi, P. L. Ottaviani, and C. Ronsivalle, J.Appl.Phys. 95, 3206 (2004).
  53. L. Giannessi, Seeding and Harmonic Generation in Free-Electron Lasers, Synchrotron Light Sources and Free-Electron Lasers, ed. by E. J. Jaeschke et al., Switzerland, Springer Int.Publ. (2016), DOI: 10.1007/ 978-3-319-14394-1_3.
  54. Z. Huang and K.-J. Kim, Nucl. Instrum.Meth.A 475, 112 (2001).
  55. G. Geloni, E. Saldin, E. Schneidmiller, and M. Yurkov, Opt.Comm. 271, 207 (2007).
  56. K. Zhukovsky, I. Fedorov, and N. Gubina, Opt. Laser Technol. 159, 108972 (2023).
  57. K. Zhukovsky, Europhys. Lett. 141, 45002 (2023).
  58. К.В.Жуковский, ЖЭТФ 164, 315 (2023) [K.V. Zhukovsky, JETP 137, 271 (2023)].
  59. A.V. Savilov and G. S. Nusinovich, Phys.Plasmas 14, 053113 (2007).
  60. D.D. Krygina, N.Y. Peskov, and A.V. Savilov, Frequency Multiplication in a Powerful Terahertz FreeElectron Maser, 2021 46th Int.Conf. on Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves (IRMMW-THz), Chengdu, China (2021), doi: 10.1109/IRMMWTHz50926.2021.9567533.
  61. A.V. Savilov and G. S. Nusinovich, Phys.Plasmas 15, 013112 (2008).
  62. А.М. Калитенко, К.В.Жуковский, ЖЭТФ 157, 394 (2020) [A.M. Kalitenko and K.V. Zhukovskii, JETP 130, 327 (2020)].

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Copyright (c) 2024 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».