【摘要】：自由電子激光(FEL)具有良好的相干性,極高的峰值功率,而產(chǎn)生群聚的電子束是實(shí)現(xiàn)相干輻射的關(guān)鍵。FEL原則上可工作于任意波段,目前在不同的波段發(fā)展了具有不同特點(diǎn)的多種FEL相干輻射機(jī)制。本文首先對(duì)FEL的主要工作模式、發(fā)展歷史、發(fā)展方向進(jìn)行了回顧和總結(jié),然后介紹了 FEL理論基礎(chǔ)、多種相干輻射機(jī)制、數(shù)值模擬軟件,在掌握FEL物理研究方法的基礎(chǔ)上,對(duì)多種FEL相干輻射機(jī)制及相關(guān)的物理問(wèn)題進(jìn)行了深入的研究,包括振蕩器FEL、預(yù)聚束THz FEL、PEHGFEL以及多色多脈沖FEL。介紹了振蕩器的工作原理,分析了波蕩器和電子束決定的單程小信號(hào)增益,然后利用波蕩器的梯度降低振蕩器對(duì)電子束能散的要求,結(jié)果表明電子束能散較大時(shí),利用波蕩器的梯度可顯著提高增益和飽和功率;研究了腔鏡反射率、耦合孔徑、腔長(zhǎng)失諧對(duì)振蕩器輸出特性的影響,腔長(zhǎng)失諧小于一個(gè)輻射波長(zhǎng)時(shí),有最大的輻射功率;分析了振蕩器FEL的自然鎖模,當(dāng)滑移長(zhǎng)度遠(yuǎn)小于電子束長(zhǎng)度并且腔長(zhǎng)失諧較小振蕩器處于深度飽和時(shí),在時(shí)間頻譜結(jié)構(gòu)上脈沖會(huì)形成多峰結(jié)構(gòu)。闡述了預(yù)聚束FEL工作原理,對(duì)比其他輻射機(jī)制,分析了預(yù)聚束FEL的輻射功率,然后給出了預(yù)聚束FEL的群聚因子和能量分布函數(shù),之后對(duì)THz FEL波蕩器進(jìn)行了物理設(shè)計(jì),研究了基于脈沖串群聚基波輻射和二次諧波輻射;解析結(jié)合模擬驗(yàn)證了能散較小時(shí)決定預(yù)聚束FEL輻射帶寬的主要因素,結(jié)果表明當(dāng)微束團(tuán)數(shù)遠(yuǎn)大于波蕩器周期數(shù)時(shí),最終輻射帶寬接近微束團(tuán)數(shù)分之一,反之,最終輻射帶寬接近波蕩器周期數(shù)分之一,對(duì)于預(yù)聚束FEL的諧波輻射,最終輻射帶寬與諧波次數(shù)成反比。另外給出了可能由電子束參數(shù)和波蕩器參數(shù)引入的抖動(dòng)和誤差。介紹了 PEHG的工作原理,解析結(jié)合模擬研究了利用波蕩器自然梯度實(shí)現(xiàn)PEHG的方案,給出了高次諧波群聚因子的優(yōu)化條件,結(jié)果表明NTG型PEHG可以取得與原始PEHG差不多的FEL性能,然后分析了主要參數(shù)對(duì)相位匯聚效果和飽和功率的影響,另外還研究了增強(qiáng)型PEHG,利用反相調(diào)制段抑制電子束的能散,結(jié)果表明利用反相調(diào)制段可實(shí)現(xiàn)較為可觀的抑制能散效果,然后分析了主要參數(shù)對(duì)增強(qiáng)型PEHG的影響,最后研究了采用TGU和NTG在儲(chǔ)存環(huán)上實(shí)現(xiàn)高重頻PEHG的可行性�；贖GHG型FEL高次諧波工作模式,研究了多色多脈沖FEL。首先簡(jiǎn)要介紹了實(shí)現(xiàn)雙色FEL和產(chǎn)生傾斜電子束的幾種主要方法,然后提出了一種新型雙色FEL方案,使傾斜電子束的不同部分在相鄰的諧波上分別滿(mǎn)足不同的共振條件進(jìn)而產(chǎn)生雙色FEL,然后分析了本方案光場(chǎng)的可調(diào)性,最后研究了通過(guò)采用較大的傾斜幅度和橫向梯度,使得整個(gè)電子束長(zhǎng)度內(nèi)滿(mǎn)足多個(gè)相鄰諧波的共振條件進(jìn)而產(chǎn)生三色FEL的可能性。
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類(lèi)號(hào)】：TN24
【圖文】：

邐＼邋Ｍｉｒｒｏｒ逡逑Ｅｌｅｃｔｒｏｎ逡逑圖１．１振蕩器型ＦＥＬ逡逑自放大自發(fā)輻射型自由電子激光：主要工作于氋增益范圍，輻射波長(zhǎng)理論上逡逑可以覆蓋任意波段，實(shí)際上一般主要工作于短波長(zhǎng)波段，如紫外、軟Ｘ射線和硬逡逑Ｘ射線。ＳＡＳＥ型ＦＥＬ的優(yōu)點(diǎn)主要為峰值功率高、波長(zhǎng)連續(xù)可調(diào)以及結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)逡逑單。ＳＡＳＥ是目前短波長(zhǎng)波段實(shí)際應(yīng)用最多的ＦＥＬ工作模式，如圖１．２所示，逡逑ＳＡＳＥ型ＦＥＬ為單次通過(guò)型的ＦＥＬ裝置，在一個(gè)較長(zhǎng)的波蕩器中，由于電子束逡逑每經(jīng)過(guò)一個(gè)波蕩器周期就落后它產(chǎn)生的輻射場(chǎng)一個(gè)輻射波長(zhǎng)的距離（滑移效應(yīng)），逡逑前面的電子可以不斷的與后面的電子產(chǎn)生的輻射場(chǎng)相互作用，輻射場(chǎng)經(jīng)過(guò)指數(shù)增逡逑益后逐漸飽和。但是由于ＳＡＳＥ的初始光場(chǎng)為電子束的噪聲，因此飽和時(shí)輻射脈逡逑沖的波長(zhǎng)以及功率的穩(wěn)定性不是很好。另外由于滑移效應(yīng)的存在

可以覆蓋任意波段，實(shí)際上一般主要工作于短波長(zhǎng)波段，如紫外、軟Ｘ射線和硬逡逑Ｘ射線。ＳＡＳＥ型ＦＥＬ的優(yōu)點(diǎn)主要為峰值功率高、波長(zhǎng)連續(xù)可調(diào)以及結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)逡逑單。ＳＡＳＥ是目前短波長(zhǎng)波段實(shí)際應(yīng)用最多的ＦＥＬ工作模式，如圖１．２所示，逡逑ＳＡＳＥ型ＦＥＬ為單次通過(guò)型的ＦＥＬ裝置，在一個(gè)較長(zhǎng)的波蕩器中，由于電子束逡逑每經(jīng)過(guò)一個(gè)波蕩器周期就落后它產(chǎn)生的輻射場(chǎng)一個(gè)輻射波長(zhǎng)的距離（滑移效應(yīng)），逡逑前面的電子可以不斷的與后面的電子產(chǎn)生的輻射場(chǎng)相互作用，輻射場(chǎng)經(jīng)過(guò)指數(shù)增逡逑益后逐漸飽和。但是由于ＳＡＳＥ的初始光場(chǎng)為電子束的噪聲，因此飽和時(shí)輻射脈逡逑沖的波長(zhǎng)以及功率的穩(wěn)定性不是很好。另外由于滑移效應(yīng)的存在，ＳＡＳＥ所產(chǎn)生逡逑的輻射光譜為許多個(gè)不相干的尖峰構(gòu)成，在單個(gè)尖峰內(nèi)（一個(gè)合作長(zhǎng)度內(nèi)）可以逡逑認(rèn)為輻射場(chǎng)是相干的，因此總體上來(lái)講飽和時(shí)ＳＡＳＥ的輻射脈沖在縱向上是部分逡逑相干的

逑高增益高次諧波型自由電子激光：是除了邋ＳＡＳＥ以外在高增益范圍內(nèi)的另一逡逑種主要的ＦＥＬ工作模式。如圖１．３所示，ＨＧＨＧ的初始光場(chǎng)為外種子激光，因此逡逑相比ＳＡＳＥ，其輻射脈沖的縱向相干性和穩(wěn)定性一般較好（由種子激光決定），所逡逑需的波蕩器長(zhǎng)度相對(duì)較短。ＨＧＨＧ型ＦＥＬ主要工作原理為電子束在一個(gè)較短的逡逑波蕩器內(nèi)經(jīng)過(guò)種子激光調(diào)制后形成一定的群聚，再經(jīng)過(guò)色散段提高電子束的群聚逡逑后將電子束送入增益段波蕩器中，在種子激光的高次諧波上產(chǎn)生相干的輻射場(chǎng)。逡逑但ＨＧＨＧ型ＦＥＬ對(duì)電子束與種子激光的同步性要求較高；另外受限于常規(guī)種子逡逑激光的波長(zhǎng)以及諧波轉(zhuǎn)換次數(shù)，ＨＧＨＧ型ＦＥＬ邋—般工作在紫外和軟Ｘ射線波段，逡逑很難工作于硬Ｘ射線波段，而且其輻射波長(zhǎng)只能為種子激光的諧波，不能連續(xù)逡逑的調(diào)節(jié)。為了進(jìn)一步提高諧波轉(zhuǎn)換次數(shù)，級(jí)聯(lián)ＨＧＨＧ［９］、回聲增強(qiáng)諧波產(chǎn)生［１０］逡逑（Ｅｃｈｏ－Ｅｎａｂｌｅｄ邋Ｈａｒｍｏｎｉｃ邋Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ，簡(jiǎn)稱(chēng)邋ＥＥＨＧ）和相位匯聚增強(qiáng)諧波產(chǎn)生［１１］逡逑（Ｐｈａｓｅ－ｍｅｒｇｉｎｇＥｎｈａｎｃｅｄ邋Ｈａｒｍｏｎｉｃ邋Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)博士學(xué)位論文 前2條

1 李和廷;高增益短波長(zhǎng)自由電子激光相關(guān)物理研究[D];中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué);2011年

2 耿會(huì)平;軟X射線自由電子激光設(shè)計(jì)及相關(guān)物理研究[D];中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué);2010年

本文編號(hào)：2799033