自由电子激光放大啁啾脉冲的数值模拟

论文摘要

自由电子激光（Free-electron Laser,FEL）是用相对论电子束在“泵浦场”的激励下经受激发射放大产生的相干光源。啁啾脉冲放大（Chirped PulseAmplification,CPA）技术是实现超短脉冲FEL的一种主要途径。本文利用1维非定态程序对单程FEL放大器放大线性啁啾脉冲的过程进行了数值模拟,其主要工作如下:1.介绍了线性啁啾脉冲的产生和压缩的基本理论。2.当失谐量不为零时,通过求解FEL三次方程讨论了频率失谐与FEL增益间的关系。3.讨论了FEL放大器放大啁啾脉冲时增益下降的机理。单能电子束放大啁啾脉冲时,增益下降主要是由于脉冲中有较大失谐成分无法被有效放大而引起的。而能量啁啾电子束放大啁啾脉冲时,增益下降主要是由于电子束的滑移使光场失谐引起的。4.对单能电子束FEL放大器和能量啁啾电子束FEL放大器放大啁啾脉冲的过程进行了数值模拟和分析,计算了不同啁啾参数的脉冲被FEL放大器放大后的腔外压缩情况。通过数值模拟的结果得知:啁啾脉冲可以被单程FEL放大器放大,并且放大后的啁啾脉冲仍然具有较好的可压缩性,压缩后的脉冲峰值功率可以达到几十GW,宽度可以短至几十fs;如果FEL放大器使用了能量啁啾电子束放大啁啾脉冲,则可以明显提高脉冲的功率增益,以及增大FEL的增益线宽,使压缩后的脉冲峰值功率达到几百GW,宽度短至几fs。使用能量啁啾电子束可以在很大程度上提高FEL放大器放大啁啾脉冲以及腔外压缩脉冲的效果。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 序言
• 1.1 FEL的基本原理和特性
• 1.2 超短脉冲FEL的产生方法
• 1.3 啁啾脉冲放大技术
• 1.4 本文的工作
• 第二章 理论分析
• 2.1 线性啁啾脉冲的产生
• 2.2 线性啁啾脉冲的压缩
• 2.3 单程FEL放大器对啁啾脉冲的放大过程
• 2.3.1 单能电子束对啁啾脉冲的放大过程
• 2.3.2 能量啁啾电子束对啁啾脉冲的放大过程
• 第三章 数值模拟
• 3.1 程序模型
• 3.2 单能电子束放大啁啾脉冲的数值模拟
• 3.2.1 初值设定及相关参数计算
• 3.2.2 不同啁啾参数脉冲的功率增益曲线
• 3.2.3 FEL放大器输出点的选择
• 3.2.4 脉冲在放大过程中的形状变化
• 3.2.5 脉冲在放大过程中的谱线变化
• 3.2.6 输出脉冲被压缩后的功率和宽度
• 3.2.7 提高电流对啁啾脉冲放大的影响
• 3.3 能量啁啾电子束放大啁啾脉冲的数值模拟
• 3.3.1 不同啁啾参数脉冲的功率增益曲线
• 3.3.2 脉冲在放大过程中的形状变化
• 3.3.3 脉冲在放大过程中的谱线变化
• 3.3.4 输出脉冲被压缩后的功率和宽度
• 第四章 总结
• 4.1 论文的相关结论
• 4.2 论文中存在的问题
• 4.3 下一步工作展望
• 参考文献
• 致谢