THE LONG PULSE EFFECT IN FREE ELECTRON LASERS

The spontaneous radiation from a single pulse electron beam in Free Electron Lasers is dealt withby solving one-dimensional wave equations.The obtained results show that there is the long pulse effect aswell as the well-known short pulse effect.

THE TRANSVERSAL GEOMETRIC EFFECTS IN A FREE ELECTRON LASER

The effects of a beam thickness and a conducting wall in a free electron laser with a linearlypolarized wiggler magnetic field and an axial magnetic field are investigated within the framework of fluid-Maxwell equations.The growth rate of free electron laser instability is obtained,in which the nonlinear bulkand surface current density are simultaneously considered.The numerical calculations indicate that the bulkcoupling is dominant.There is an optimum beam thickness and separation between the conducting walls forwhich the growth rate is maximum.

自由电子激光振荡器的三维数值模拟

仔细地考查了与三维自由电子激光振荡器物理方程组相应的３－Ⅰ程序的可靠性。在此基础上使用该程序计算、分析了在电子束与光束同轴条件下，当电子束参数如能散度、发射度、束流等参量改变时三维自由电子激光的一些基本规律。

自由电子激光相干强太赫兹源装置鬼脉冲初步研究

研究中国工程物理研究院自由电子激光相干强太赫兹源(FEL-THz)装置上鬼脉冲产生的原因及其对装置调试测量的影响,通过束流动力学模拟、热分析、蒙特卡罗模拟以及初步实验结果分析,证明了鬼脉冲将会明显破坏阻拦型测量,并会在束线管道上造成温度升高和辐射强度增大。研究表明:鬼脉冲成为限制FEL-THz装置正常工作的重要原因,为保证FEL-THz顺利出光,鬼脉冲必须予以消除,并简要讨论了鬼脉冲的消除方法。

相对论性电子的Compton散射

用单粒子理论研究了相对论性电子的Compton散射．当散射过程不改变光子运动方向时，存在n倍频效应，也存在光子频率及运动方向都不改变的散射过程．指出了一定条件下可以实现激光场对电子的有效加速．

同轴波导FEL放大器的非线性分析

以同轴波导、同轴混合磁铁摇摆器为模型,导出了自洽的注波三维非线性方程组,在考虑了电子初始速度零散效应、空间电荷波效应的影响及电子注在互作用区入口处的绝热压缩过程的基础上,编制了相应的计算软件。同时,通过数值分析的方法研究了自由电子激光器的饱和效率、频带宽度等高频特性和变参数摇摆器结构对延缓饱和、提高效率的作用。

远红外自由电子激光器脉冲结构

采用整体数值模拟方法，研究了中物院远红外自由电子激光装置的起振和脉冲结构．给出了为克服激光呆滞效应起振所需的腔长失谐值，胜长调节精度和调节范围．预计了装置的增益、功率、脉冲宽度和谱线宽度等重要参量．研究了不同腔长失谐值下光脉冲结构的变化．

喇曼型无引导场自由电子激光实验的理论计算

用三维程序CAGⅡ对西南应用电子学研究所在EPA-74脉冲加速器上所作的FEL(自由电子激光)实验进行了数值模拟,分析计算了输入功率、摇摆器磁场振幅、自发辐射频率、电子能量、束流强度和发射度等参数变化时对饱和位置、饱和功率和效率的影响。在对实验参数中的电子能量作合理调整的条件下,数值模拟的增益系数大约为70dB/m,是实验值的80％。因此饱和位置比实验推后20％到40％。饱和功率高出大约3倍。经折算后大约为1MW,与实验结果比较接近。考虑到实验的复杂情况可认为理论结果同实验结果基本符合。

一种用约氏效应测量自由电子激光频率的方法

提出一种利用交流约瑟夫森效应直接测量自由电子激光频率的方法。这种方法与约氏谐波混频方式测频不同，它是采用超导延迟线、约瑟夫森结开关和超导匹配滤波器，将长周期超短脉冲自由电子激光信号变成短周期脉冲信号，再用交流约瑟夫森效应直接测频。该方法可以直接测量直至亚毫米波段甚至更高频段的长周期短脉冲信号的频率。

Raman型自由电子激光中暖束效应的简化分析

采用一维流体理论导出了暖电子束条件下Raman型自由电子激光增益的解析式。此式清晰地描述了自由电子激光中的暖束效应。分析计算时毋需电子分布函数的具体形式 。

射频自由电子激光器中光脉冲演化的模拟研究

用一维脉冲程序研究了自由电子激光器中光脉冲的演化过程。除了给出运转参数外，着重研究了脉冲的形状、位置抖动、能散度、光腔的同步失配等对光脉冲演化的影响。指出在同样条件下利用后倾的电子脉冲能够提高光脉冲能量的饱和值近一倍。

有强相对论性非中和电子束环的环形自由电子激光器理论

本文用弗拉索夫-麦克斯韦方程研究了有强相对论性非中和电子束环的环形自由电子激光器的工作特性。结果表明,强电子束的空间电荷效应有提高辐射频率和强度的作用。

Smith─Purcell效应中的轫致辐射

提出了新的Ｓｍｉｔｈ－Ｐｕｒｃｅｌｌ（ｓｐ）辐射模型，研究了沿金属光栅表面运动的自由电子的轫致辐射中的自发辐射、受激辐射和受激吸收等过程，发现电子的自发辐射也会随着电子束厚度的增加而出现饱和。还讨论了由ＳＰ效应实现短波长自由电子激光器的前景，认为这种前景并不容乐观。最后还对ＳＰ效应中几个急待解决的问题进行了讨论。

FEL振荡器的短脉冲和三维效应

利用自编的ＦＥＬＯＳ程序，考察了自由电子激光振荡器的短脉冲效应和三维效应，看到了光束团的亮斑化过程。除了初始阶段的Ｌｅｔｈａｒｇｙ效应外，亮斑的移动速度大于光速。而三维效应则部分减弱了电子束的群聚，模糊了超辐射所带来的亮斑束周期结构，形成了几乎单一的亚皮秒主亮斑。应当指出，这为ＦＥＬ的应用提供了新的可能。

相对论性电子与强场作用的非线性理论

研究了相刘沧性电子在强激光场中的非线性康普顿散射，进而导出散射光子频率的表达式．结果表明：当散射角为0时，电子仪仪充当了“耦合器”的作用，并存在n倍频效应．当散射角为π时，若电子和光子对撞，散射光子的频率随电子吸收光子数n的增大而增大，随激光场强度增强而减小；若光子追上电子而发生碰撞且散射光子被反弹时，可实现激光场对电子的有效加速．

太赫兹自由电子激光放大器研究

太赫兹自由电子激光(FEL)是获得高功率太赫兹辐射的重要途径,目前运行的太赫兹FEL装置基本上都采用振荡器结构,若采用FEL放大器模式,则可产生具有更高峰值功率的太赫兹辐射。本文以北京大学超导电子直线加速器的束流参数为基础,通过模拟分析确定了太赫兹FEL放大器对太赫兹种子源、电子束流及波荡器等的要求。模拟结果显示,太赫兹种子的峰值功率在10 W以上即可实现太赫兹FEL放大;在较易实现的参数条件下,可获得峰值功率数兆瓦的太赫兹辐射。

自由电子的C-M量子放大效应

重新推导和研究了C-M(Chang-McDaniel)效应的主要公式,指出C-M效应需要α、k_8和k_0满足的匹配条件。

新型史密斯-帕塞尔效应可调辐射源研究

提出采用中等能量的相对论环状电子注激励轴对称三曲面反射镜、绕射光栅系统,产生毫米波、远红外波段辐射的新型准光学可调辐射源实验方案,这是一种基于史密斯帕塞尔效应的自由电子激光。由于引入新型准光学谐振腔系统,可以改变能量输出方向的角度,从原理上讲,可制造一系列模型,产生可调频率的短毫米波、远红外波段相干辐射。采用环状电子注比带状电子注稳定性高,便于成型和聚焦;采用新腔体后增长了电子注与高频场的互作用范围;新型准光腔具有较小的绕射损耗。新方案的这些特点,进一步提高器件的输出功率,改善了高频特性。介绍这种新辐射源在3mm波段的粒子模拟计算初步结果,其输出功率达数百千瓦以上;同时给出准光学谐振腔高频系统的模拟计算和冷测实验的典型曲线。

自由电子抽运X射线激光的理论探讨

X射线激光是激光物理与等离子物理中的一个重要研究领域。目前,X射线激光研究多采用毛细管放电、 高功率激光的多脉冲和短脉冲等抽运方式,而且绝大多数研究局限于软X射线波段。借鉴自由电子激光器的组成 结构,提出一种产生X射线激光的新方案:用钨制成毛细管的空心电极取代自由电子激光器内的摇摆器,内充特定 金属蒸气,如铜蒸气之类,使自由电子激光器变成自由电子抽运X射线激光器。运用电子碰撞电离、强流粒子束平 衡体系理论方程与等离子复合特性等理论对这种新型X射线激光器的工作原理及其方案的可行性作了进一步的 理论分析与探讨。

变参数Smith－Purcell型自由电子激光的小信号增益公式

利用微扰展开法导出了变参数Ｓｍｉｔｈ－Ｐｕｒｃｅｌｌ型自由电子激光小信号增益表达式，其增益谱函数因子在形式上与变参数Ｗｉｇｇｌｅｒ情况的表达式相同。在此基础上讨论了光栅常数均匀变化时的小信号增益。结果表明：当电子入射速度低于系统初始谐振速度的某一范围时，有较高的小信号增益；在保证一定的饱和抽取效率情况下，为了提高小信号增益，应适当地选取光栅的空间频率变化率。