基于全反馈谐振腔的新型史密斯- - 帕塞尔自由电子激光的特性及理论研究

"All-feedback resonator" can reflect all S-P radiation with an emission angle and with random azimuthal angles back onto the electron beam. In this resonator，the electron beam could be modulated in best, the beam-wave interaction and the output power could be improved. Compared with the Smith-Purcell free electron laser based on other resonator，a lots of novel characteristic of the novel Smith-Purcell free electron laser based on all-feedback resonator. All this research of novel characteristic will contribute to the research and application of Smith-Purcell free electron laser theory. Various novelcharacteristics and theory of "Smith-Purcell Free electron laser based on the all-feedback resonator" will be researched in this project. The research including: 1) the field distribution, transmission characteristics and quality factor of "all-feedback resonator", 2)the beam-wave interaction and performance analysis of "Smith-Purcell Free electron laser based on the all-feedback resonator"，3)linear theory and nonlinear self-consistent theory for "Smith-Purcell Free electron laser based on the all-feedback resonator",4) design for tunable "Smith-Purcell Free electron laser based on the all-feedback resonator" with a high output power in THz region，5）research a particle-in-cell simulation aided software.

"全反馈谐振腔"能够将特定发射角、所有方位角的S-P辐射全部反射回电子注，提升了S-P自发辐射的利用率，实现了所有方位对电子注的调制，增强了注-波互作用效果，从根本上提高S-P FEL的输出功率容量。与利用普通谐振腔作反馈元件的S-P FEL相比，"基于全反馈谐振腔的S-P FEL"具有有很多不同新特性。研究这些新特性将有助于推动S-P FEL的理论发展，促进其实用化进程。本项目将研究"基于全反馈谐振腔的S-P FEL"的各种新特性及新理论。研究内容包括：1）"全反馈谐振腔"的场型结构、传输特性和品质因数，2）"基于全反馈谐振腔的S-P FEL"的注-波互作用特性和性能分析，3）"基于全反馈谐振腔的S-P FEL"的线性理论和非线性自洽理论，4）设计"高功率、可调频的基于全反馈谐振腔的S-P型太赫兹 FEL"器件，5）研发一款粒子模拟辅助软件。

“全反馈谐振腔”是能够将特定发射角、所有方位角的史密斯–帕塞尔 (S–P)辐射反射回电子注的谐振腔，在不同光栅、电子束和谐振腔参数下，利用理论分析和数值模拟研究了 “基于全反馈谐振腔的新型S–P 自由电子激光（FEL）”的输出特性、注–波互作用特性、建立了初步理论并探讨了设计方法。完成了研究计划，取得了一系列成果。①研究了“基于全反馈谐振腔的新型S–P FEL”的输出特性。结果表明，不同的方位角范围内，基于全反馈谐振腔的S–P的输出功率谱密度是不同的；②研究了“基于全反馈谐振腔的新型S–P FEL”的多种周期性金属结构（例如，多层金属—介质堆砌结构）。结果表明，基于多层金属—介质堆砌结构的新型S–P FEL是用于开发更紧凑，更高峰值输出功率的S-P FEL的最有希望替代品；③研究了“基于全反馈谐振腔的新型S–P FEL”的电子束形状。结果表明，带状束的宽高比越大，电子束的速度调制越明显，电子束的群聚越明显，S－P FEL的功率和功率谱密度越大；④比较研究了“基于全反馈谐振腔的新型S–P FEL”中的多种“全反馈谐振腔” 。结果表明，它们都可以获得THz波段的高功率可调谐相干S–P辐射；⑤突破了“利用S–P效应产生相干S–P辐射”的惯性思维，创新性地提出了“利用S–P效应调制电子束”的新思路。在该新型THz振荡器的调制腔中，电子注的速度调制通过S–P效应完成的，当群聚电子注通过输出腔时，群聚电子注会在输出腔的间隙处激励起高频电场，该高频电场会使电子注的一部分动能转换为高频能量，并完成THz振荡；⑥研究了其他真空电子器件，例如，回旋振荡管；⑦利用非共形网格研究了电磁散射问题；⑧研究了Ag纳米颗粒的局部表面等离子体共振；⑨研发了《Magic粒子模拟软件编程辅助软件（简称Magic编程辅助软件）》，该软件软件是Magic粒子模拟软件编写程序的辅助软件，主要帮助研究人员完成编程工作。