孔耦合自由电子激光振荡器的数值模拟方法

针对孔耦合波导自由电子激光振荡器腔内光场横向特性,应用有限元法于慢变光场方程,并对输出腔镜上孔耦合过程加以较准确的描述,而后通过对数值结果的分析比较,说明这一模拟方法较好地描述了孔耦合引起的腔内光场横向结构的变化发展特性,改善了模拟结果。     

横模谱方法与孔耦合FEL振荡器数值模拟

 横模谱方法广泛应用于自由电子激光振荡器数值模拟。以孔耦合波导FEL振荡器的模型问题为例,通过对数值结果的分析和比较,说明横模谱方法的应用效果取决于诸多物理因素,在孔耦合情形下,主要取决于孔耦合效应及其引起的腔内光场横模结构的发展变化。     

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，并给出了最大允许值。     

THz自由电子激光椭圆型耦合输出光腔

在对中国工程物理研究院高功率太赫兹（THz）自由电子激光（FEL）装置理论分析和设计的基础上,针对目前THz FEL光腔设计面临的主要难点,提出了椭圆型耦合输出光腔的设计方案,并对椭圆型耦合输出光腔代替传统FEL光腔的优势、光腔品质、耦合效率等进行了分析研究。研究表明,椭圆型耦合光腔的设计更适合目前THz FEL波导光腔的光斑特点,可使光腔输出功率提高33%以上,输出耦合效率即光腔品质可提高30%~70%;随着辐射频率的提高,椭圆孔耦合输出光腔的优势提高更为明显。     

采用波导提高远红外自由电子激光的净增益

中国工程物理研究院建造了一台波长约为120μm的远红外自由电子激光（FIR FEL）振荡器。CAEP FI RFEL由L波段射频加速器驱动，采用了线极化平面摇摆器（晰ggler）和由2个对称的球面镜组成的稳定光腔，在下游镜中心开一个小孔以输出激光。     

中物院1～4.2 THz FEL装置波导谐振腔优化设计

针对中物院高功率太赫兹自由电子激光（THz FEL）装置,结合FEL光腔振荡器实验的实际情况,提出了全波导近共心谐振腔设计方案。完成了THz波段波导光腔对光腔品质影响的理论分析和模拟计算,确定了波导设计尺寸为14 mm和22 mm。同时针对最初实验调试过程中无法出光饱和的问题,提出将波导更换为22 mm大尺寸波导的建议,波导更换后很快在2.56 THz获得饱和出光。另外针对实验频段无法覆盖到1～2 THz的问题,我们通过波导内壁粗糙度进行分析判断,提出采用14 mm铜材质的全波导FEL振荡器的设计方案,采用该方案后,实验成功将辐射频段拓展到0.7～4.2 THz,获得饱和输出。     

稳定波长反馈引起的失谐对自由电子激光的影响

 利用修改的一维非定态程序,基于美国杰弗逊实验室（JLab）Demo自由电子激光装置的参数,对高功率自由电子激光振荡器稳定波长的反馈系统进行了数值模拟。电子微脉冲为高斯型分布,每个纵向网格中取16个模拟宏电子,不考虑电子束的能散度。结果表明：当无反馈时,腔内光功率和波长都可以在一定范围内稳定;加入反馈后,由于电子束能量的变化所引起的等效失谐对整个系统有着重要的影响,甚至可能导致电子和光场失去相互作用,从而使得装置不能工作。提出应该在光场达到饱和以后再启动稳定波长反馈系统。模拟结果证明,该实施方案是合理有效的,可以避免其对FEL运行的严重影响。     

北京自由电子激光器外注入实验系统设计研究

北京自由电子激光器(BFEL)是一台工作于中红外区Compton型FEL振荡器。本文结合BFEL装置,设计了一套完整的激光外注入光路,利用声光调QCO_2激光器产生的10.6μm激光做激励源注入到BFEL光腔中,以缩短振荡建立时间,提高BFEL输出能量,改善输出激光的相干性。模拟计算结果是:当BFEL光腔中的外注入光强为自发辐射强度的10~5倍时,可使饱和振荡建立时间缩短35％,输出能量提高2倍。     

基于自由电子激光的小型太赫兹源初步设计

介绍了基于自由电子激光的太赫兹源的研究情况,提出了一种小型自由电子激光太赫兹源设计方案.采用独立调谐双腔热阴极微波电子枪,不需要α-磁铁及其他束团压缩装置,能够达到所需的束流品质,达到减小系统尺寸的目的.加速结构采用对称输入耦合器和同轴吸收负载输出耦合器,减少加速器的横向尺寸.采用混合永磁型波荡器,孔耦合输出的稳定球面光学谐振腔.介绍了该方案的初步设计和仿真计算.     

SASE自由电子激光起振问题及统计特性的数值模拟

 介绍一种自放大自发辐射自由电子激光（SASE FEL）的自发辐射和电子束噪声的数学描述，运用修正的一维非定态程序，对SASE FEL 起振问题及光场统计特性进行了数值模拟，分析了自发辐射谱的发展过程及一定频带宽度内光场随机特性的统计规律，数值模拟结果与理论结果符合较好。     

球面腔镜对孔耦合波导自由电子激光振荡器的影响

平面波导约束的自由电子激光振荡器两端的腔镜由柱面镜改换为球面镜.利用分析估计和数值模拟方法说明对所考虑的模型问题,这一腔镜改变所带来的影响甚小.     

孔径光阑输出对太赫兹激光器模式特性的影响

孔径光阑耦合技术是大功率光泵气体太赫兹激光器的一种常用谐振腔设计方法。在不考虑波导对腔内模式形成的影响下,采用传输矩阵的特征向量法,针对孔径光阑耦合太赫兹谐振腔的腔内本征模式以及输出光束特性进行了数值模拟,得到了该种谐振腔在不同g参数下损耗最低的几种本征模式及其相应的衍射损耗;采用衍射积分与矩阵光学结合的方法计算了孔径光阑输出太赫兹激光的光束特性,得到不同本征模式的远场衍射光斑及发散角。研究工作为孔径光阑耦合的气体太赫兹激光器设计提供了理论参考。     

CONCEPTUAL DESIGN OF BESSEL BEAM CAVITY FOR FREE-ELECTRON LASER

The conventional cavity for a free-electron laser (FEL) oscillator usually forms an optical beam of Gaussian mode, which undergoes transverse spread along the interaction region. The transverse divergence of an optical beam will induce reduction of the FEL gain from three aspects: degenerating filling factor, causing diffraction loss and limiting the effective interaction distance. Bessel optical beam has been experimentally demonstrated diffraction-free characteristics in its propagation, which provides a possibility of improvement of FEL gain. In this paper, we present a conceptual design of a Bessel beam cavity for the free-electron laser oscillator. This cavity generates nondiffracting optical beam in the wiggler, resulting in improving the filling factor, decreasing the diffraction loss and elongating the effective interaction distance.     

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。CAEP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。     

边耦合光腔用于远红外FEL的分析

 模拟了边耦合输出用于FIR FEL 的可实用性，证明这种输出方式适合于远红外FEL。分析且模拟了光腔各种输出参数（如输出功率、腔增益、耦合效率等）随输出镜尺寸及位置的变化规律，找出了最佳的输出镜尺寸及位置。并对谐振腔有漂移管和无漂移管两种情况进行了比较。通过移动或者更换输出镜（输出反射镜），改变输出镜尺寸和位置，可以灵活地选择和调节光腔的Q值。能适应实验不同阶段的需要：例如在实验初期可以提高Q值，增大净增益；而在做饱和实验时可以增大输出，使输出功率最大。     

Generation of a self-chirped few-cycle optical pulse in a FEL oscillator

We study the generation of a self-chirped optical pulse in a free-electron laser (FEL) oscillator. In a high-gain FEL oscillator, the frequency chirp is induced in the slippage region as a result of superradiant FEL resonance, and this time-frequency correlation evolves continuously into a few-cycle regime, if the optical cavity length is perfectly synchronized to the electron bunch interval. Numerical simulations based on the slowly evolving wave approximation and experimental results are presented.