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高增益短波长自由电子激光的数值研究

作　者: 李煜辉
导　师: 贾启卡
学　校: 中国科学技术大学
专　业: 核技术及应用
关键词: 高增益自由电子激光自放大自发辐射自由电子激光高增益高次谐波放大自由电子激光种子激光能散相位滑移级联HGHG 数值模拟饱和长度饱和功率自发辐射束团长度 β函数
分类号: TN241
类　型: 博士论文
年　份: 2006年
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内容摘要

高增益自由电子激光被实验证明为目前唯一可以把自由电子激光推向紫外直至X射线的工作方式，在飞秒化学、生物分子结构、纳米科学、原子分子物理学等广泛的研究领域有巨大的应用前景，成为了当前世界上FEL领域的一个发展热点，已经形成了多个总体性方案。但是高增益FEL装置结构庞大，技术难度极高，投资规模往往达到数亿美金。因此在装置建造以前，必须进行详细的理论分析和模拟计算。不同模式的高增益FEL都有特定的优点和缺点，然而没有一种具有压倒性的优势，提出并分析不同的高增益模式，以产生具有相干性好、功率稳定、辐射亮度高等优异品质的X射线自由电子激光，成为当今FEL领域中一个研究前沿。本论文的主要内容是高增益短波长自由电子激光的数值模拟与分析研究。主要工作包含有不同X射线自由电子激光模式的计算与分析、自由电子激光基本理论和数值模拟方法的分析、一维FEL数值计算程序的编写、HGHG半解析计算与参数优化方法的讨论、级联HGHG的参数优化和计算方法的讨论、国家同步辐射实验室X射线FEL计划方案物理参数的初步设计几方面的工作。另外，基于THz光源的应用前景，本论文最后一章分析了储存环插入元件的长波长辐射性能。本论文追踪国际FEL前沿，并结合本实验室的一些原创性理论，取得了下列进展：编写了一维时间依赖FEL计算程序TDH1D，该程序的主要目的是为了对不同模式的X射线FEL进行快速依赖于时间的计算，分析它们的纵向相干性、辐射带宽、信噪比等前沿热点问题。另外，因为TDA3D、Genesis等公开的FEL模拟软件不易于分析FEL高次谐波性能，TDH1D可以对高次谐波多方面的性能进行比较细致的计算。TDH1D从基本的FEL一维理论出发，采用“宏粒子”计算方法，引入慢变包络近似(SVEA)和一个波荡器周期平均近似等。TDH1D进行了一些三维效应的修正，在不降低计算速度的同时，得到与三维计算更加接近的结果。根据贾启卡研究员推导的HGHG一维解析理论，编写数值计算程序HG1D。HG1D的主要作用是结合解析理论，分析HGHG-FEL各种参数之间的相互联系以及对辐射的影响，快速优化实验参数。并且通过HG1D对上海深紫外自由电子激光装置种子激光功率和色散段强度的优化，讨论了它们对于饱和功率与饱和长度的影响，并进行了理论分析。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-8
目录  8-11
第一章绪论  11-20
  1.1 自由电子激光简介  11-12
    1.1.1 自由电子激光国内外发展历史  11-12
    1.1.2 自由电子激光主要模式  12
  1.2 短波长自由电子激光发展态势  12-14
  1.3 短波长高增益自由电子激光主要模式  14-18
  1.4 论文内容  18-20
第二章自由电子激光基本理论  20-45
  2.1 平面型波荡器的磁场表达和电子运动轨迹  20-24
    2.1.1 平面型波荡器的磁场数学表达  20-22
    2.1.2 电子运动轨迹  22-24
  2.2 自由电子激光基本方程  24-37
    2.2.1 考虑光场作用的电子运动方程  24-26
    2.2.2 能量方程  26-27
    2.2.3 相位方程  27-30
    2.2.4 小信号增益  30-32
    2.2.5 光场方程  32-36
    2.2.6 高增益模式  36-37
  2.3 自放大自发辐射自由电子激光(SASE-FEL)  37-39
  2.4 高增益谐波放大自由电子激光(HGHG-FEL)  39-43
    2.4.1 HGHG-FEL的理论估算  39-42
    2.4.2 HGHG-FEL的一维解析理论  42-43
  2.5 小结  43-45
第三章 FEL数值模拟方法  45-62
  3.1 自由电子激光模拟软件的基本算法  45-51
    3.1.1 基本自由电子激光方程  45-46
    3.1.2 宏粒子抽样  46-49
    3.1.3 依赖时间的模拟方法(time dependent simulation)  49-51
  3.2 TDA3D和Genesis1.3的算法简介  51-56
    3.2.1 光场方程求解方法的比较  52-53
    3.2.2 功率计算方法  53-54
    3.2.3 电子相位抽样方法的比较  54
    3.2.4 TDA3D和Genesis1.3算例比较  54-56
  3.3 FAST的算法  56-58
  3.4 MEDUSA的算法  58-60
  3.5 小结  60-62
第四章一维时间依赖FEL计算程序TDH1D  62-81
  4.1 基本方程  62-63
  4.2 三维效应修正  63-67
    4.2.1 电子的β振荡对束流密度的影响  63-64
    4.2.2 β振荡对相速度的影响  64-65
    4.2.3 光场与电子束重合效果的修正  65-67
  4.3 程序总体流程  67-68
  4.4 SASE-FEL运算  68-72
    4.4.1 参数选择  68
    4.4.2 SASE-FEL的稳态计算  68-69
    4.4.3 SASE_FEL时域计算和频谱分析  69-72
  4.5 HGHG-FEL计算  72-76
    4.5.1 计算参数  72-73
    4.5.2 稳态计算  73-75
    4.5.3 时域计算和频谱分析  75-76
  4.6 高次谐波计算  76-79
  4.7 小结  79-81
第五章 HGHG-FEL理论分析与半解析计算  81-95
  5.1 HGHG-FEL半解析计算程序HG1D  82-86
    5.1.1 群聚因子的数值计算方法  82-83
    5.1.2 与TDA3D的对比计算  83-85
    5.1.3 HG1D与Genesis1.3的对比  85-86
  5.2 种子激光和色散段强度的优化方法  86-89
  5.3 HG1D算法的一些讨论  89-93
    5.3.1 发射度等效能散的修正  90-91
    5.3.2 不同求平均方法造成的误差  91-92
    5.3.3 种子激光纵向分布的影响  92-93
  5.4 HG1D与TDH1D的比较  93
  5.5 小结  93-95
第六章几种X射线FEL方案的分析  95-111
  6.1 SASE-FEL模式  95-98
  6.2 级联HGHG-FEL模式  98-99
  6.3 级联HGHG-FEL的简化方案  99-105
    6.3.1 稳态计算与参数选择  100-103
    6.3.2 时域和频域计算  103-105
  6.4 HHG驱动的超短脉冲自由电子激光  105-107
  6.5 自种子SASE-FEL初步研究  107-110
  6.6 小结  110-111
第七章级联HGHG Soft-XFEL参数设计  111-150
  7.1 级联型HGHG-FEL的参数优化  111-126
    7.1.1 级联HGHG-FEL与“fresh bunch”技术  111-113
    7.1.2 波荡器与电子束参数  113-114
    7.1.3 第一级HGHG-FEL的参数优化  114-118
    7.1.4 第二级HGHG-FEL的参数优化  118-123
    7.1.5 两级HGHG之间漂移段的设计  123-125
    7.1.6 分段间隙的考虑  125-126
  7.2 误差分析  126-131
    7.2.1 电子束偏差  126-129
    7.2.2 磁铁装置误差  129-130
    7.2.3 种子激光功率偏差  130-131
  7.3 Slart to End 模拟与依赖于时间的计算  131-136
    7.3.1 第一级HGHG-FEL  131-133
    7.3.2 第二级HGHG-FEL  133-136
  7.4 光场模式的简单分析  136-137
  7.5 波荡器和色散段磁铁设计  137-143
    7.5.1 波荡器磁场设计  137-141
    7.5.2 色散段磁场的设计  141-143
  7.6 滑移效应对于短脉冲种子激光驱动的高次谐波放大器辐射的影响  143-149
    7.6.1 理论分析  144-145
    7.6.2 算例分析  145-149
  7.7 小结  149-150
第八章储存环插入元件长波长辐射  150-170
  8.1 插入元件长波长辐射的理论  150-160
    8.1.1 波荡器渡越辐射  151-156
    8.1.2 扭摆磁铁长波长辐射理论推导  156-160
  8.2 合肥同步辐射装置超导扭摆磁铁的长波长辐射计算  160-163
  8.3 合肥同步辐射装置光学速调管的长波长辐射计算  163-164
  8.4 合肥同步辐射装置超导扭摆磁铁和弯转磁铁长波辐射比较  164-167
    8.4.1 辐射强度比较  164-166
    8.4.2 辐射通量比较  166-167
  8.5 弯转磁铁边沿辐射  167
  8.6 小结  167-170
结束语  170-172
参考文献  172-175
致谢  175

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