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2 mm,腔内净增益提高7％~15％;场强每提高0.02 T,腔内净增益可增加5%~10%。     

Studies of super-short pulse generated by a free-electron lasers at perfect synchronism

Three-dimensional （3D） simulations and theoretical analyses on super-short pulse generated using free- electron lasers （FELs） at perfect synchronism are carried out with the help of our 3D OSIFEL code. The evolution of longitudinal pulse width in the Japan Atomic Energy Research Institute （JAERI） experiment is simulated. The results show that the optical pulse is compressed on successive passes due to the slippage between the optical and electron beams, and an ultra-short 221-fs optical pulse is finally obtained, which agrees with the experiment. Furthermore, to shorten wavelength such as soft ultraviolet （SUV） spectrum range, an ultra-short pulse generated at perfect synchronism is analyzed and studied. Finally, the relationship between the optical pulse length compressed and the peak electron beam current is calculated. It shows that the higher the electron beam current, the shorter the output FEL width length, due to the higher gain.     

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1~3 THz。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。     

自由电子激光放大啁啾脉冲的数值模拟

 利用1维非定态程序对单程自由电子激光(FEL)放大器放大线性啁啾脉冲的过程进行了数值模拟,得到了不同啁啾参数的脉冲通过FEL放大器的增益曲线,计算了不同啁啾参数的脉冲被单程FEL放大器放大后的腔外压缩情况。通过对数值模拟结果的定性分析得出：影响输出脉冲宽度和峰值功率的主要因素是FEL放大器的增益线宽和啁啾参数,并以此说明,通过先使用FEL放大器放大啁啾脉冲、然后再将其在腔外压缩的方法产生超短脉冲FEL是可行的。     

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。     

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。     

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。     

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2 mm,腔内净增益提高7％~15％;场强每提高0.02 T,腔内净增益可增加5%~10%。     

自由电子激光放大啁啾脉冲的数值模拟

利用1维非定态程序对单程自由电子激光(FEL)放大器放大线性啁啾脉冲的过程进行了数值模拟,得到了不同啁啾参数的脉冲通过FEL放大器的增益曲线,计算了不同啁啾参数的脉冲被单程FEL放大器放大后的腔外压缩情况。通过对数值模拟结果的定性分析得出：影响输出脉冲宽度和峰值功率的主要因素是FEL放大器的增益线宽和啁啾参数,并以此说明,通过先使用FEL放大器放大啁啾脉冲、然后再将其在腔外压缩的方法产生超短脉冲FEL是可行的。     

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。