高增益短波長自由電子激光的數(shù)值研究.pdf

1、高增益自由電子激光被實驗證明為目前唯一可以把自由電子激光推向紫外直至X射線的工作方式，在飛秒化學、生物分子結構、納米科學、原子分子物理學等廣泛的研究領域有巨大的應用前景，成為了當前世界上FEL領域的一個發(fā)展熱點，已經形成了多個總體性方案。 但是高增益FEL裝置結構龐大，技術難度極高，投資規(guī)模往往達到數(shù)億美金。因此在裝置建造以前，必須進行詳細的理論分析和模擬計算。不同模式的高增益FEL都有特定的優(yōu)點和缺點，然而沒有一種具有壓倒性的

2、優(yōu)勢，提出并分析不同的高增益模式，以產生具有相干性好、功率穩(wěn)定、輻射亮度高等優(yōu)異品質的X射線自由電子激光，成為當今FEL領域中一個研究前沿。 本論文的主要內容是高增益短波長自由電子激光的數(shù)值模擬與分析研究。主要工作包含有不同X射線自由電子激光模式的計算與分析、自由電子激光基本理論和數(shù)值模擬方法的分析、一維FEL數(shù)值計算程序的編寫、HGHG半解析計算與參數(shù)優(yōu)化方法的討論、級聯(lián)HGHG的參數(shù)優(yōu)化和計算方法的討論、國家同步輻射實驗室X

3、射線FEL計劃方案物理參數(shù)的初步設計幾方面的工作。另外，基于THz光源的應用前景，本論文最后一章分析了儲存環(huán)插入元件的長波長輻射性能。 本論文追蹤國際FEL前沿，并結合本實驗室的一些原創(chuàng)性理論，取得了下列進展：編寫了一維時間依賴FEL計算程序TDH1D，該程序的主要目的是為了對不同模式的X射線FEL進行快速依賴于時間的計算，分析它們的縱向相干性、輻射帶寬、信噪比等前沿熱點問題。另外，因為TDA3D、Genesis等公開的FEL模

4、擬軟件不易于分析FEL高次諧波性能，TDH1D可以對高次諧波多方面的性能進行比較細致的計算。TDH1D從基本的FEL一維理論出發(fā)，采用“宏粒子”計算方法，引入慢變包絡近似(SVEA)和一個波蕩器周期平均近似等。TDH1D進行了一些三維效應的修正，在不降低計算速度的同時，得到與三維計算更加接近的結果。 根據(jù)賈啟卡研究員推導的HGHG一維解析理論，編寫數(shù)值計算程序HG1D。HG1D的主要作用是結合解析理論，分析HGHG-FEL各種參

5、數(shù)之間的相互聯(lián)系以及對輻射的影響，快速優(yōu)化實驗參數(shù)。并且通過HG1D對上海深紫外自由電子激光裝置種子激光功率和色散段強度的優(yōu)化，討論了它們對于飽和功率與飽和長度的影響，并進行了理論分析。 計算并且分析了主要的X射線自由電子激光方案，包括SASE、級聯(lián)HGHG的輻射性能，計算了HHG驅動單級HGHG產生超短脈沖軟X射線的性能，提出并且計算分析了一種簡化的級聯(lián)HGHG方案，說明在軟X射線波段，該方案可以產生較好的輻射。利用TDH1D

6、初步計算了自種子SASE的情況。 級聯(lián)HGHG的研究屬于FEL前沿領域，并且結構復雜、參數(shù)眾多，沒有一種軟件是專門針對這種模式的。據(jù)我們所知，國際上關于這種模式FEL的計算方法和參數(shù)優(yōu)化方法公開的報道不多，沒有現(xiàn)成的經驗照搬。本論文通過國家同步輻射實驗室X射線自由電子激光計劃方案的物理參數(shù)設計，討論了級聯(lián)HGHG的計算方法和參數(shù)優(yōu)化方法。并且根據(jù)工程設計的要求，進行了誤差分析、start-to-end模擬計算，以及波蕩器和色散段