Об излучении гармоник в рентгеновских лазерах на свободных электронах с изменяемым параметром дипольности ондуляторов

Рентгеновские лазеры на свободных электронах (ЛСЭ) генерируют короткие импульсы в диапазоне волн $\sim$1–100 $\mathring{\mathrm{A}}$. Нами исследована возможность генерации гармоник в рентгеновском диапазоне в ЛСЭ с изменяемым параметром дипольности ондуляторов. Теоретически исследовано излучение гармоник ЛСЭ FLASH 2, ЛСЭ SwissFEL и строящегося ЛСЭ LCLS-II c целью получить максимальную частоту излучения с пучком электронов с минимальной энергией. Проведен сравнительный анализ эффективности использования гармоник в ЛСЭ с самоусилением спонтанного излучения (SASE), в ЛСЭ с усилением затравочного лазерного излучения гармоник банчера (HLSS), и в ЛСЭ с усилением гармоник и подавлением основного тона. Теоретические результаты для излучения каскадного ЛСЭ FLASH2 сравниваются с экспериментальными данными. Показано, что использование выделенного банчера в ЛСЭ с изменяемым параметром дипольности позволяет получить более ранний и быстрый рост мощности гармоник по длине ондуляторов за счет эффективной группировки электронов на длинах волн гармоник. На основание этого вывода в ЛСЭ SwissFEL предложено использовать отличные друг от друга значения параметра дипольности в ондуляторах для банчера и для усилителя третьей гармоники. Теоретически показано, что это позволит сократить длину ЛСЭ и повысить частоту излучения на $\sim$30%. Исследована возможность генерации гармоник в строящемся ЛСЭ LCLS-II в трех возможных режимах: SASE, HLSS и усиления третьей гармоники ЛСЭ с одновременным подавлением основного тона. Показано, что преимущество выделенного банчера в LCLS-II не может быть полностью использовано с имеющимися ондуляторами с изменяемым параметром $k$ из-за невысокой эффективности усиления гармоник в ондуляторах каскадов усилителя с малым значением $k$ = 0.6. В качестве альтернативного решения предложено использовать третью гармонику в ондуляторах с $k$ = 2.24 по всей длине ЛСЭ LCLS-II, и подавление основного тона путем нарушения его банчинга между ондуляторами. Продемонстрировано, что такая схема позволяет получить излучение мощностью более 1 GW на длине волны третьей гармоники $\lambda\approx$ 0.25 nm уже на $\sim$40 m ондуляторов с пучком с энергией $E$ = 4 GeV.