自由电子激光装置小型化相关物理与技术研究

Free electron laser(FEL) has incomparable advantages over other common laser source, has wide and important applications in scientific research, national defense, medical, industrial and all sectors of the national economy. But FEL facilities, especially X-ray FEL facilities are complex, large scale, and high investment, caused great obstacles for its development and popularization. Compact free-electron laser facility is an important direction of development and research focus in the field of FEL. On the bases of the related works abroad and our own, we will research on physical mechanism and technical approaches for compact FEL devices. We will put the stress on the physical mechanism of harmonic FEL in high gain mode, and explore the new scheme of the high gain harmonic FEL with lower energy electron beam; make a thorough study for the technology scheme and the optimization design of short period undulator; research and design transverse gradient undulator, study the feasibility of FEL with it for the laser acceleration electron beam.

自由电子激光具有其它普通激光光源所无法替代的优点，在科学研究，及国防、医学、工业和国民经济各方面都具有非常广阔的重要应用。但自由电子激光，特别是X射线自由电子激光装置复杂，规模巨大，投资高，为自由电子激光的普及与发展造成巨大障碍。因此自由电子激光装置小型化是自由电子激光领域的一个重要发展方向和研究热点，对于自由电子激光的普及及应用有着重要的意义。我们将在国外已有相关工作以及我们自己工作基础上，针对FEL装置小型化相关的物理机制和技术途径开展研究。重点对高增益谐波FEL的物理机制进行概念研究，探索研究在较低能量电子束下高增益谐波FEL的新方案；对高场强、短周期波荡器的优化设计与技术方案进行深入研究；对横向梯度磁场波荡器进行研究设计，研究其用于激光加速电子束来产生FEL的可行性。

自由电子激光（FEL）具有其它激光光源所无法替代的优点，具有非常广阔的重要应用。但自由电子激光，特别是X射线FEL装置规模巨大，投资高，为自由电子激光的普及与发展造成巨大障碍。因此FEL装置小型化是自由电子激光领域的一个重要发展方向和研究热点，对于自由电子激光的普及及应用有着重要的意义。. 针对FEL装置小型化的物理机制和技术途径，我们开展了多方面的研究：. 对高增益谐波FEL，我们研究给出了线性谐波产生与非线性谐波产生的辐射的关系与不同特性，提出了不用横向梯度波荡器的相位汇聚（PEHG）型高次谐波放大FEL方案；还给出了一般非共振FEL增益公式，可计算从低增益到高增益的FEL增益，首次给出了非共振时增益长度与失谐参数的显式解析关系式。. 对短周期、高场强波荡器的优化设计与技术方案的研究。仔细研究了交错磁极波荡器的方案改进，给出了优化设计；给出了纯永磁波荡器场强提高方案，在不同磁间隙周期比值下场强都有所提高；提出了常规波荡器兼用横向梯度波荡器的方案，经济实用，并且梯度可调，不需额外校正磁铁。还给出了台阶式变参数波荡器的最优阶变量。. 对预群聚电子辐射的研究，给出了预群聚电子从相干自发辐射到指数高增益的功率增长一般公式。提出了光阴极微波电子枪中产生高群聚因子电子束团串的方案。提出了在谐波放大型FEL上产生飞秒级超短脉冲X-FEL的一种方案。. 提出并研究了多种紧凑型THz-FEL光源方案：介质波导高次谐波方案；预群聚电子束加波导（包括介质波导及金属波导）方案；多模式同时相干激发太赫兹方案等。它们结构紧凑，分别具有辐射功率高或宽频可调或重复频率高等优点。. 通过本项目的研究，给出的一些新的解析结果对FEL物理方案的参数设计与分析具有理论指导意义；给出的FEL运行模式与装置的一些新方案有助于提升FEL相关性能，减小FEL装置规模。