100微米自由电子激光研究进展

自由电子激光器（FEL）是一种将相对论性电子的动能变换成电磁辐射的装置。电子束和电磁波沿摇摆器在同一直线上传输，摇摆器使电子产生横向的速度分量，实现电子和辐射场之间的能量交换。从电子束抽取的动能转换成电磁辐射，辐射的波长决定于电子束的能量和摇摆器参数。FEL具有波长连续可调、可获得高功率和光束品质好等优点，在军事上和基础科学研究中有很好的应用前景，美国、日本以及一些欧洲国家对自由电子激光的研究极为重视，并得到了很好的成果。2004年7月美国的JLAB实验室获得了10kW的自由电子激光，使人们对自由电子激光在激光武器中的定位进行了重新思考，从而掀起了又一轮世界范围内的自由电子激光研究热潮。     

远红外自由电子激光器的带宽扩展

本文研究了波导尺寸、电子束能量、摇摆器周期及磁场强度对波导型自由电子激光带宽的扩展作用，文中给了带宽约４００μｍ的远红外（工作波长６００－１０００μｍ）自由电子激光振荡器的设计参数，并对有关工程问题进行了讨论。     

中物院太赫兹自由电子激光装置现状及升级计划

中国工程物理研究院太赫兹自由电子激光装置（CAEP THz FEL, CTFEL）是国内唯一运行的基于超导加速器的高平均功率自由电子激光太赫兹源,具有频率连续在线可调(0.1～4.2 THz)、高峰值功率(＞0.5 MW)、高平均功率(＞10 W)、高重频(54.17 MHz)、短脉冲(～ps)、窄线宽（～2%）、全相干和线性偏振等特点。自2017年出光以来,已稳定运行了四年多,并开展了诸多应用实验研究。为进一步满足用户需求,CTFEL计划升级为一台红外太赫兹自由电子激光装置,电子束能量提升至最大50 MeV,频谱范围拓展至0.1～125 THz,同时,建设材料光谱和生物医学两个实验站。     

光阴极注入器型能量回收射频加速器

 光阴极注入器型能量回收射频加速器（PERL）是新一代加速器，在高平均功率自由电子激光和下一代高亮度光源等研究中有很好的应用前景。分析了PERL的强流与高平均功率特性，对注入器输出束流品质的要求及光阴极注入器、超导加速腔等关键技术进行了研究，设计分析了一种特殊结构的高压DC Gun光阴极注入器，能有效地提高DC加速腔中的加速场强，当高压为1MV和加速场达到10MV/m时，产生的电子束流能够基本满足PERL应用要求。同一超导加速段中的束流加速和能量回收的数值模拟计算结果表明，能获得高效率电子束流能量回收效果。     

远红外自由电子激光装置束流传输线的设计与整体数值模拟

提出了ＣＡＥＰ（中国工程物理研究院）远红外自由电子激光装置束流传输线的设计，给出了各元件的设计参数，并进行了束流传输整体数值模拟，最后得到摇摆器入口处电子束团的主要参数：能量２ＭｅＶ，峰值电流１７Ａ，脉冲宽度１４ｐｓ（ＦＷＨＭ），束归一化发时度１４πｍｍ·ｍｒａｄ（水平）和５πｍｍ·ｍｒａｄ（垂直），束团整体能散度１．２７％，束归一化亮度５×１０￣（１０）Ａ／ｍ￣２·ｒａｄ￣２。整体数值模拟结果表明：电子束品质完全满足摇摆器的要求。     

曙光一号自由电子激光器的理论计算

系统总结曙光一号自由电子激光器理论计算的主要结果:包括曙光一号装置主要参数的选取和理解;磁场失谐曲线的计算;常参数摇摆器和变参数摇摆器的主要结果;高阶波导模的贡献;电子束参数扰动对激光性能的影响;空间电荷效应等。计算结果表明,常参数摇摆器激光输出功率可达80MW,效率约50％;变参数摇摆器激光输出功率可达250MW左右,效率约16％。     

用于高平均功率FEL的DC-SC光阴极注入器

 为获得用于高平均功率自由电子激光（FEL）的高平均流强电子束，设计了一种新型的DC-SC光阴极注入器。该注入器由皮尔斯直流引出结构、1+1/2超导腔和同轴功率耦合系统组成，可以提供高品质、CW模式或高占空比的电子束。对DC-SC光阴极注入器进行了优化设计和束流动力学研究。模拟和优化结果表明DC-SC光阴极注入器完全可以用于高平均功率自由电子激光。模型腔实验验证了理论模拟的可靠性。     

自由电子激光中群聚与去群聚

导出了使电子束达到最佳群聚（Ｂｕｎｃｈｉｎｇ）状态的条件和群聚的标度关系，并在分析去群聚（Ｄｅｂｕｎｃｈｉｎｇ）因素的基础上，为一种效率更高的变参数摇摆器的设计提供了依据。     

曙光一号自由电子激光实验

叙述了曙光一号装置（ＳＧ－１ＦＥＬ）继１９９１年首轮实验后安排的第二轮实验，由于注入器设计和新的天鹅绒阴极材料的使用，使电子束亮度有较大提高，在数值模拟基础上，省去了长９ｍ的束流调制区，而改用２ｍ束流传输段。实验表明，自发辐射放大（ＡＳＥ）的输出功率接近１００ｋＷ，指数增益系数约２０ｄＢ／ｍ，在相互作用区自由电子激光功率呈良好的指数增长；磁场失谐曲线与数值模拟基本一致，摇摆器内通过的电流基本保持在６００Ａ左右，从而验证了双向聚焦的摇摆器设计达到了预期目标。     

曙光一号自由电子激光器(FEL)电子束发射度的分析

对曙光一号自由电子激光装置电子束发射度的测量值进行了深入的分析。严格地计算了不同发射度的束流在摇摆器内的传输,计算了发射度对激光功率的影响。由此得出,曙光一号自由电子激光器可以省去9米长的束流选择段。     

Three-dimensional simulation analysis of a 3 cm wavelengthfree-electron laser afterburner

We have simulated a 3 cm wavelength free-electron laser afterburner (FEL Afterburner) using two sets of parameters: one is for a 3-cm period wiggler and the other is for a 5.4 cm period wiggler. For the 3 cm period wiggler, the input beam energy is 112.5 keV, and for the 5.3 cm period wiggler the beam energy is increased to 290 keV to make the FEL Afterburner operate at the same frequency. It is found, from the simulations, that the FEL Afterburner with a longer period wiggler has a higher power conversion efficiency: larger than 16% $ for the 5.4 cm wiggler while only about 9% for the 3 cm wiggler. It is also shown that to enhance the interaction efficiency in the slow wave cavity, the slow wave number should be a little larger than the sum of the fast wave number and the wiggler wave number     

磁场逐渐增强的摇摆器

研究了用磁场增强摇摆器来提高自由电子激光器效率的机制．采用KMR方程，考虑空间电荷效应，模拟计算发现自由电子激光器的效率有了很大的提高，而且电子束能散度越大，对提高自由电子激光器效率越有帮助．因此采用磁场增强摇摆器能充分利用加速器的能量来莸得更高的自由电子激光器能量 关键词：     

Identification of the Amplification Mechanism in the First Free-Electron Laser as Net Stimulated Free-Electron Two-Quantum Stark Emission

We find that the electron phase with respect to the incident laser radiation must be random in the first freeelectron laser （FEL） and, hence, the incident laser radiation works as a relaxation force to keep a Maxwellian distribution. We formulate the threshold laser intensity for amplification which agrees with the measured value in the order of magnitude in the first FEL. The magnetic wiggler must produce an electric wiggler whose period is the same as that of the magnetic wiggler. We find that net stimulated free-electron two-quantum Stark （FETQS） emission driven by this electric wiggler is the mechanism responsible for the measured gain and the measured laser intensity at the plateau in the first FEL.     

磁场预增强的锥型波荡器

研究了波荡器磁场增强对提高自由电子激光器效率的影响。模拟计算发现采用磁场增强波荡器能使自由电子激光器的效率提高到１７．６％，采用磁场预先增强而后又增弱的锥型波荡器则能获得高达４３．３￥的输出效率，自由电子激光器的功率得到进一步的提高。     

毫米波圆柱波导自由电子激光放大器的数值模拟

本文以单粒子理论为基础，在不计空间电荷效应的近似条件下推导了带轴向引导磁场的三维圆柱波导非线性模拟方程组。用CAGFEL程序计算、分析了在带入口区、常数摇摆器条件下两组不同物理参数的自由电子激光放大器的物理模型。计算结果可靠，物理图象合理。对于其中的第二组参数还着重考查了光波频率、输入功率和摇摆器场振幅改变对输出功率和效率的影响。上述这些计算结果对0．7MeV 自由电子激光放大器的设计和实验具有一定的参考价值。     

A high-power millimeter-wave sheet beam free-electron laseramplifier

The results of experiments with a short period (9.6 mm) wiggler sheet electron beam (1.0 mm×2.0 cm) millimeter-wave free electron laser (FEL) amplifier are presented. This FEL amplifier utilized a strong wiggler field for sheet beam confinement in the narrow beam dimension and an offset-pole side-focusing technique for the wide dimension beam confinement. The beam analysis herein includes finite emittance and space-charge effects. High-current beam propagation was achieved as a result of extensive analytical studies and experimental optimization. A design optimization resulted in a low sensitivity to structure errors and beam velocity spread, as well as a low required beam energy. A maximum gain of 24 dB was achieved with a 1-kW injected signal power at 86 GHz, a 450-kV beam voltage, 17-A beam current, 3.8-kG wiggler magnetic field, and a 74-period wiggler length. The maximum gain with a one-watt injected millimeter-wave power was observed to be over 30 dB. The lower gain at higher injection power level indicates that the device has approached saturation. The device was studied over a broad range or experimental parameters. The experimental results have a good agreement with expectations from a one-dimensional simulation code. The successful operation of this device has proven the feasibility of the original concept and demonstrated the advantages of the sheet beam FEL amplifier. The results of the studies will provide guidelines for the future development of sheet beam FELs and/or other kinds of sheet beam devices     

曙光一号自由电子激光实验的理论分析

对曙光一号自由电子激光实验方案和结果进行了系统的理论分析和数值计算。首先用实测的束流发射度ε＿Ｎ＝０．３６～０．６３ｒａｄ·ｃｍ论证了电子束可以不经调制而由束流传输段直接进入摇摆器达到有效产生自由电子激光。其次用编制的三维电子束传输程序模拟２ｋＡ强流束从加速器出口到摇摆的器入器传输过程。最后根据实测参数，使用ＣＥＢＱ程序和ＷＡＧＦＥＬ程序，对曙光一号ＡＳＥ实验、功率放大实验和磁场失谐曲线进行的计算表明，曙光一号束流发射度大约在印ε＿Ｎ＝０．６１～０．８ｒａｄ·ｃｍ附近；ε＿Ｎ＝０．８ｒａｄ·ｃｍ时，上述实验与曲线的理论计算基本一致；曙光一号双向聚焦摇摆器设计是成功的；从功放结果分析，磁控管输入摇摆器的ＴＥＯ１模的功率约为５０Ｗ，并对下一轮实验提出了改进意见。     

Three dimensional gain analysis of free electron laser with focusing permanent magnet wiggler

A three dimensional simulation software system developed to estimate a free electron laser (FEL) gain has been applied to FEL using a standard plane polarized wiggler and an alternately shifted magnet wiggler. It is seen for the latter wiggler that a large filling factor could be selected and each maximum gain corresponding to each orbit of electron beam concentrates at a certain frequency region of FEL radiation. It is, therefore, implied that a proper shift between the adjacent magnets in the wiggler produces the improvement of the FEL gain.