Laser de Elétrons Livres descrito através da interação paramétrica entre três ondas com Momento Angular Orbital

Abstract

O Laser quântico de elétrons livres é modelado através de uma abordagem perturbativa de um fluido quântico interagindo com um ondulador ótico, cuja dinâmica resulta em um conjunto acoplado de equações, que descreve a interação entre três ondas eletromagnéticas. Este conjunto de equações é resolvido numericamente no espaço e no tempo em duas etapas. A primeira etapa estuda o comportamento das soluções na direção de propagação dos três modos, desprezando-se qualquer efeito transversal. Nesse caso, considera-se que a radiação espalhada, gerada na interação wiggler-feixe, possui um perfil longitudinal Gaussiano. No início da interação, devido às instabilidades dos modos, a radiação estimulada amplifica-se e aumenta a sua largura; o que se denomina regime linear. Após a amplificação ter crescido o suficiente, surge o regime não linear, em que o pulso de radiação espalhado e o modo do feixe extraem energia do wiggler. Nesse regime, o perfil espacial do pulso divide-se em um trem de sub-pulsos alocados um atrás do outro, em que o pulso principal, contrário ao regime linear, comprime-se durante o tempo de interação. Mostra-se que esse comportamento assemelha-se a um processo de interação de três ondas, que descreve a amplificação de um pulso laser por espalhamento Raman em um plasma, que pode ser descrito através da equação de Sine-Gordon. A segunda etapa apresenta as soluções do modelo nas três dimensões do espaço, em que os formatos transversais dos modos são descritos pela família de modos Laguerre-Gauss, cujo Momentum Angular Orbital (MAO) que carregam obedece à lei de conservação para o MAO. Nessa etapa, no regime não linear, observa-se a divisão em sub-pulsos junto com a compressão e amplificação do pulso principal da radiação espalhada. Essa solução também satisfaz a equação de sine-Gordon, a qual inclui um termo de acoplamento entre as partes transversais dos modos, o que determina a eficiência do processo de troca de energia.