能量啁啾电子束自由电子激光放大啁啾脉冲

提出采用具有能量啁啾电子束的自由电子激光放大器放大啁啾脉冲,分析说明了它的工作机理和滑移现象对其的影响。采用研制的1维非定态程序GOFEL-P,对能量啁啾自由电子激光放大器放大啁啾脉冲的过程进行了数值模拟和分析,计算了不同啁啾参数的脉冲被放大后的腔外压缩情况。结果表明:与单能电子束时相比,能量啁啾自由电子激光可以放大具有更大啁啾参数的啁啾脉冲,使压缩后的脉冲峰值功率增大至568 GW,脉冲宽度缩短至2.29 fs,大幅增强自由电子激光放大啁啾脉冲以及腔外压缩脉冲的效果。

波导自由电子激光振荡器的三维数值模拟

建立了带波导的自由电子激光振荡器方程组，能够描述光场衍射、孔耦合输出以及电子运动、腔镜倾斜等三维问题。采用整体数值（ＩＮＥＸ）模拟方法，研究了中国工程物理研究院（ＣＡＥＰ）远红外自由电子激光装置的三维问题与横模结构。结果表明：激光器的横模品质好，孔耦合输出方式下仍然是基模为主，在腔功率中所占份额约８７％。研究了电子束偏入射、斜入射、腔镜倾斜等不同轴（ｍｉｓａｌｉｇｎｍｅｎｔ）因素对激光器的增益、功率、输出、横模结构等的影响。

采用光栅改善孔耦合自由电子激光光腔品质

提出采用光栅覆盖耦合孔以改善孔耦合腔品质的办法。 Ｃ Ａ Ｅ Ｐ自由电子激光器的三维数值模拟结果表明，该方法可以有效地减少腔的输出损失和衍射损失。此外，改进后的耦合孔还可用作电子束通道以使装置更紧凑。

远红外自由电子激光器的整体数值模拟

基于中物院通红外自由电子激光装置，采用一种注重横向问题的整体数值模拟方法进行了计算．并将结果与随机抽样的计算结果作了比较，发现两者差异较大，自由电子激光的性能强烈地依赖于电子束性质．采用这种整体数值模拟方法对于较准确地计算和预计自由电子激光器诸光学参量是必要的．

碘离解和淬灭对氧碘化学激光气动特性影响的计算

氧碘化学激光中的水汽对其运行和性能有着重要的影响。建立了考虑淬灭的单重态氧产额和变截面定常一维流的方程组 ,编制了程序 ,采用Radicl的参数进行了计算 ,研究了碘离解和淬灭对氧碘化学激光气体流动特性的影响 ,初步分析了变截面的作用和设计考虑。

自由电子激光振荡器中电子束能量跳跃对增益的影响

微脉冲中电子束能量、电流的跳跃会影响电子束的质量， 从而也影响激光的增益。在 Ｃ Ａ Ｅ Ｐ Ｆ Ｉ Ｒ Ｆ Ｅ Ｌ 理论设计模型参数的基础上，利用一维定态程序对电子束能量跳跃对增益的影响进行了数值研究，并与非定态程序计算结果进行比较，给出可容许的能量跳跃范围。

氧碘化学激光中的增益光导效应

发现和分析了氧碘化学激光中的增益光导效应。碘注入的不均匀等导致增益在该方向的不均匀。采用预混模型和Fabry Perot腔模型,推导了碘不均匀分布情况下的单重态氧的产额和激光束横向分布的解析表达式。计算结果表明,由于增益光导效应,引起激光横向分布的变化,可导致光束在碘注入方向的倾斜,以及输出功率的下降。

磁场误差对自由电子激光器增益的影响

用随机数构造了摇摆器磁场的误差分布．基于CAEPFEL的理论设计，研究了磁场误差对自由电子激光器增益的影响．

Z箍缩内爆的MARED程序1维模拟分析

研制可靠的数值模拟工具对Z箍缩内爆产生X光辐射过程进行理论研究、实验分析以及负载设计至关重要。介绍了2维三温辐射磁流体力学程序(MARED)的物理方案,给出了MARED程序的1维检验结果,验证表明MARED程序适用不同装置条件、不同负载参数。结合丝阵Z箍缩实验的数值模拟和分析表明:相同负载质量条件下,钨丝阵内爆产生的X光辐射功率远大于铝丝阵产生的X光功率;相同负载电流条件下,负载质量越大,计算得到X光功率越低;X光功率随着负载电流增加而增加。

中物院高功率THz FEL装置的理论分析和优化设计

在1～3THz频段内设计了11个分点频率,对每一频率的对应的场强和电子束能量进行了选取和计算。模拟结果表明:采用目前参数基本能够达到设计要求;辐射频段在2.6THz附近时装置输出功率和增益都比较高,可以先锁定这个频段附近进行实验的调试;在长波段即1THz左右时,滑移效应显著,腔增益和输出功率较低,实验实现比较困难,因此在1THz频段附近必须积极想办法来提高输出功率。

CAEP太赫兹自由电子激光首次饱和出光

中国工程物理研究院基于超导射频直线加速器的谐振腔型太赫兹自由电子激光(CTFEL)于2017年8月29日16时首次饱和出光,并稳定运行,中心频率2.56THz,谱宽1.9%,宏脉冲平均功率大于5.7 W。

聚龙一号电磁脉冲形成与传输过程的全电路模拟

为研究聚龙一号驱动器内部电磁脉冲的形成与传输规律，优化调节其运行状态，获得满足负载设计需求的电流波形，建立了描述驱动器各关键部件充放电过程的全电路数值模拟程序。该程序与负载动力学程序耦合模拟，能够在一定范围内得到与实验结果符合较好的电压和电流波形。在典型的丝阵Z箍缩实验条件下，模拟分析了各段水介质传输线上电磁脉冲宽度逐级压缩，功率逐级放大的过程，驱动器充压65kV时，大约1MJ的电磁能量传输到绝缘堆位置。在典型的磁驱动准等熵压缩实验条件下，模拟分析了激光触发气体开关对驱动器24路模块分时放电的控制过程，模拟的O121发实验负载区电流上升时间（0～100％）为450FIS、峰值约6MA。

太赫兹自由电子激光的受激饱和实验

中国工程物理研究院基于半导体光阴极高压直流电子枪和超导直线加速器的高平均功率太赫兹自由电子激光达到了受激饱和,并实现了太赫兹光输出频率可调.在1.99,2.41和2.92 THz三个频率点上进行测试,测得太赫兹宏脉冲内平均功率大于10 W,最高达17.9 W.本文介绍了太赫兹自由电子激光装置的主要组成部分及受激饱和实验的结果.

高平均功率太赫兹自由电子激光装置设计

为满足材料和生物医学等研究需要，中国工程物理研究院（中物院）提出了高平均功率太赫兹自由电子激光（THzFEL）用户装置研制项目。该装置采用准连续波运行的工作模式，太赫兹平均功率约为10W。通过调节电子束能量和摇摆器的磁场强度，装置输出波长可在100gin（3THz）～300μm（1THz）进行调节，以满足不同用户的研究需要。装置主要包括电子源、主加速器、混合型摇摆器、激光谐振腔、太赫兹传输与探测系统等。装置将使用直流高压光阴极注入器作为电子源，主加速器为超导加速器，超导加速器后的电子束能量约8MeV。该装置将建立成为一个用户装置。

腔镜热变形对非稳腔光场特性的影响

研究了高功率气体激光器中谐振腔腔镜热变形效应。采用时间离散化方法,利用虚共焦折叠非稳腔3维物理光学负载模型和ANSYS热效应计算程序,将光腔稳态模式的快变过程与镜面变形的慢变过程耦合起来,研究了真实器件的腔镜变形和光场模式的相互作用;计算给出了16 s热变形下硅镜和石英镜面输出功率的下降程度和远场光束质量的退变程度:在16 s热效应下,硅镜实际光斑半径与理想光斑半径的比值变化小于1.5,而石英镜值变化达到4,可知长时运行下选用硅镜明显优越于选用石英镜。

COIL简化模型计算

采用简化动力学、增益模型 ,分析了常规虚共焦非稳腔和含屋脊镜折叠非稳腔这两种腔型在COIL 中的应用 ,计算表明 ,折叠腔在改善 COIL近场光强分布均匀性和提高近场输出功率方面明显优于常规腔。

Z箍缩动态黑腔驱动靶丸内爆动力学

利用Z箍缩动态黑腔驱动靶丸内爆是实现惯性约束聚变可能的技术途径之一.聚龙一号装置已开展的动态黑腔实验初步表明形成了有效的动态黑腔辐射场,为驱动靶丸内爆研究奠定了重要基础.针对聚龙一号装置驱动条件,通过建立包含柱形动态黑腔与球形靶丸的柱球耦合物理模型,利用二维辐射磁流体力学程序,对Z箍缩动态黑腔驱动靶丸内爆动力学过程进行了数值模拟研究,获得了丝阵等离子体内爆、丝阵等离子体与泡沫转换体相互作用、冲击波产生和黑腔辐射传输、辐射烧蚀和燃料压缩的完整过程.在此基础上,研究了靶丸赤道面和两极的辐射源均匀性及燃料压缩对称性.结果表明,由于在泡沫转换体中的辐射传输以及黑腔-靶能量耦合过程,靶丸赤道面与两极辐射波形存在一定的时间差和峰值差,造成燃料压缩不对称.若减小靶丸半径,可以提高燃料压缩的对称性,但靶丸半径很小时聚变产额也较低;靶丸半径较大时,由于靶丸赤道面和两极辐射场时间和温度峰值的较大差异,燃料压缩呈现更为明显的不对称性.

远红外自由电子激光光腔改进的模拟分析

提出在中物院远红外自由电子激光光腔中全程采用波导对光场进行约束，利用计算光束与电子束横向叠合因子分析了光腔中是否加入波导管对腔内净增益的影响。模拟了减小波导管间隙和提高扭摆器峰值磁场场强对腔内增益的影响。3维数值模拟计算表明在光腔中加入波导使扭摆器净增益由-6％提高到约25％；波导管的间隙每缩小2mm，腔内净增益提高7％～15％；场强每提高0．02T，腔内净增益可增加5％～10％。

聚龙一号驱动Z箍缩负载内爆的简化电路模型

为方便描述聚龙一号装置与Z箍缩负载的电磁耦合过程,基于大量电参数实验数据和全电路模拟分析,建立了一个简化的集总电路模型,获得了等效电压波形和等效电阻、电感等集总参量。采用水介质三板输出线出口位置的开路电压作为等效电压,进一步拟合为正弦平方函数,峰值为3.3 MV(当前驱动器充压为65kV),零到峰值的时间长度为102.5ns。采用简化的流阻抗模型描述磁绝缘传输线内部空间电子流的电流损失效应。将电路程序与零维负载动力学程序耦合模拟,得到了与实验结果符合的负载电流波形,尤其电流波形的前沿和峰值符合较好,分析了电磁能转化为负载动能的过程。

太赫兹自由电子激光光腔光子晶体镜的设计

利用传输矩阵法对太赫兹自由电子激光光腔光子晶体镜进行了模拟设计,中心波段在1～3THz。对光腔镜的光子晶体结构参数如介质厚度、层数、折射率与反射率的关系等进行了研究,并给出了一维光子晶体用于高反镜的设计方法。通过对耦合输出镜光子晶体中引入缺陷层情况的数值模拟,发现通过对缺陷层的调节设计,可以实现耦合输出率的可调谐;并给出了可用于THz自由电子激光光腔耦合输出镜的调节方法。通过对介质层厚度的调节设计,可以实现反射光谱的整体移动,从而实现宽谱可调谐,扩大了高反镜及耦合输出镜的调节范围。