宽谱可调谐THz自由电子激光新型光腔理论研究

太赫兹（THz）源的产生和利用有着重大的科学价值和广泛的应用前景。利用自由电子激光（FEL）产生的THz源因具有功率高、波长可设计及大范围连续可调的特性而有独特的优势。为此，其光腔设计必须既适应宽谱调节范围，又要保证很高的输出耦合效率。因而成为THz FEL的难点和关键技术，也是国内外研究的热点。本项目将开展THz FEL新型光腔的理论探索研究。具体针对国际上最近提出的两种新型光腔-窄缝动态调节光腔和光子晶体反射镜光腔进行理论研究，理解其物理机制，研究其光腔品质特点、实现宽带调节的规律、适用的光波长范围等。在此基础上，探索新型动态调节光腔的理论设计方案，为我国THz FEL实验中面临的难点提供可能的解决方法。

针对太赫兹自由电子激光（THz FEL）光腔设计需要宽谱可调节和输出耦合效率高的实验难点，完成了两种THz FEL新型光腔——窄缝动态调节光腔和光子晶体反射镜光腔的理论和数值模拟研究。研究了窄缝动态调节光腔和光子晶体镜光腔的结构特点和实现方法，对光腔进行了物理建模。完成了相关程序的编制，具有对窄缝动态调节光腔和一维光子晶体镜光腔的模拟设计能力。. 对一维光子晶体反射谱的研究验证了其用于THz FEL高反射镜的可行性。给出了第一禁带中反射谱凹陷对应波长位置以及凹陷幅度的调节方法，即通过调节最外层玻璃的位移，角度，厚度，材料等参数可以达到目标波长最优的反射率，其动态可调节特性具有作为THz FEL高耦合输出镜的应用潜力。结合我国THz FEL实验装置，对光子晶体反射镜的基本结构、介质的厚度、层数、调节带宽等进行了优化设计。. 在此基础上，结合我们THz FEL实验难点和实际情况，考虑到我们THz FEL装置中光腔采用的是一个矩形波导，光斑是椭圆型的特点，首次提出了椭圆型耦合输出光腔的设计方案。完成了近椭圆型耦合输出光腔代替圆孔耦合输出光腔的优势、光腔品质、耦合效率等的比较分析。研究表明，椭圆型耦合光腔的设计更适合目前THz FEL的光斑特点，可使光腔输出功率提高30%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就更为明显。并对椭圆孔耦合输出光腔参数进行了设计优化。