Коллективное индуцированное излучение пространственно ограниченных ансамблей электронов-осцилляторов: эффекты канализации и сверхизлучения

На примере двумерной модели лазера на свободных электронах с плоским ондулятором исследовано взаимодействие квазиоптического волнового пучка с тонким в масштабе параметра Френеля потоком электронов-осцилляторов. Показано, что на линейной стадии взаимодействия реализуется режим усиления и канализации излучения электронным потоком. На нелинейной стадии дифракционные эффекты приводят к расширению волнового пучка и высвечиванию большей части сгенерированной электронным потоком электромагнитной энергии во внешнее пространство. Поскольку электромагнитным волнам, излучающимся под различными углами к оси системы, соответствуют различные фазовые скорости синхронных с электронами комбинационных волн, то при существенном превышении поступательной скорости частиц фазовой скорости наиболее медленной компоненты комбинационного поля $V_{c0}$ (соответствующей электромагнитной волне, распространяющейся вдоль оси системы) реализуется механизм стохастического торможения частиц, эстафетно взаимодействующих с различными компонентами комбинационного поля, пока средняя скорость всех частиц не сравняется с $V_{c0}$. Далее взаимодействие приобретает чисто реактивный характер: устанавливается стационарное солитоноподобное состояние волнового пучка, который захватывает электроны потока и канализируется ими благодаря эффекту полного внутреннего отражения. Прослежена аналогия между излучением при канализации и эффектом временной сверхизлучательной релаксации слоя циклотронных осцилляторов в среде с показателем преломления, близким к нулю.