群聚电子FEL辐射机理研究

Spurred by the application requirements, free electron lasers are developing in-depth toward the direction of better performance, such as high coherence, high brightness, high repetition rate, high stability, more flexibility and more compact. The basic physic idea of free electron laser is the electron bunching, different electrons with same phase to produce coherent radiation. Using pre-bunched electron beam has important significance for both high gain FEL and low gain FEL. In this project, on the bases of the related works abroad and our own, we will study the radiation mechanism of bunched electron in-depth: study FEL radiation characteristics of pre-bunched electron beam and of ultrashort single bunch electron; study the physic effects such as the diffraction, pulse slipping and waveguide; we will elucidate the physic mechanism inside, give the impact relations, give a theoretical description of the radiation field development and saturation for pre-bunched electron beam and ultrashort single bunch electron in both the low gain and high gain case. We will also study generation schemes of pre-bunched electron beam and of ultrashort single bunch electron; study impact relations and evolution of the electron beam bunching factor and quality parameters, such as emittance, energy spread. The research work will provide a theoretical support for the development and optimization of fully coherent, compact X-FEL and compact THz-FEL light source.

在应用需求驱动下，自由电子激光正朝着更完善的性能，如高相干性，高亮度，高重复频率，高稳定性，更灵活，更紧凑的装置的方向深入发展。使用预群聚的电子束对高增益FEL和低增益FEL都有重要的意义。自由电子激光的基本物理思想就是使电子群聚，不同的电子同相位，从而产生的辐射相干加强。在本项目中我们将在国外已有工作及我们自己工作基础上，对群聚电子FEL辐射机理开展深入研究，研究预群聚电子束及超短单束团的FEL辐射特性，研究其中光的衍射，脉冲滑移及波导等各种物理效应，阐明物理机制，给出影响关系；给出低增益与高增益情况下，预群聚电子束及超短单束团辐射光场的发展及饱和的理论描述；还对预群聚电子束及超短单束团的产生方案进行研究，研究电子束的群聚因子和品质参数，如发射度，能散的影响关系及其演化。研究工作将为发展与优化全相干，小型化的X-FEL以及紧凑型THz-FEL光源提供理论支撑。

自由电子激光（FEL）的基本物理思想是使电子群聚，不同电子同相位，从而产生的辐射相干加强。用预群聚的电子束对高增益FEL和低增益FEL的性能提升及装置简化都有重要的意义。. 按照项目计划，我们围绕预群聚电子FEL特性进行了研究。我们分析给出了预群聚电子束微聚束不同分布情况下的谐波群聚因子；考虑脉冲滑移效应，分析给出了预群聚电子束的相干辐射脉冲功率，分析了其相干辐射带宽。我们分析给出了微束团个数与波荡器周期数的优化关系。对预群聚电子束模式用于高增益THz波段进行了分析。对预群聚电子束加tapered波荡器，我们研究给出了能量提取效率达到最大对波荡器锥度与预群聚电子束的关系要求。我们还对预群聚电子束的空间电荷效应，波导效应影响开展了分析研究。我们还提出并研究了用预群聚电子束加强Smith-Purcell辐射的几种方案。. 我们对提高FEL电子能量提取效率进行了研究。对一般低增益情况给出了最大能量提取效率对应的最佳初始失谐量，及相应的饱和长度。提出了提高能量提取效率的一种"top up"（“注满”）方案，用于有电子束团刷新的FEL，提高电子俘获率和能量提取效率。. 我们对变参数波荡器的优化进行了研究。对线性tapered（锥形）波荡器，给出了一般同步振荡周期的解析近似式，给出了最大能量提取效率及光功率增益的标度式。对单阶梯tapered波荡器给出了最佳阶梯幅度，及相应饱和功率与饱和长度的标度关系,数值模拟结果与分析结果符合很好,可用相对较短的波荡器显著提高饱和功率。. 在先前相关研究基础上，进行了一些扩展研究，研究了用常规波荡器取代专用横向梯度波荡器的方案用于相位汇聚型FEL及振荡器FEL；通过修改GENESIS源代码，数值模拟研究了加强波荡器谐波磁场来提高谐波辐射的方案；还提出了一种双色FEL的新方案。. 本项目研究结果为全相干X-FEL以及紧凑型THz-FEL光源的发展与方案优化提供了理论支撑。