自由电子激光振荡器光腔问题的理论研究

论文题目: 自由电子激光振荡器光腔问题的理论研究

论文类型: 博士论文

论文专业: 光学

作者: 窦玉焕

导师: 杜祥琬,束小建

关键词: 自由电子激光,光腔,孔耦合,边耦合,模式分析,波导,失谐,数值模拟

文献来源: 中国工程物理研究院

发表年度: 2005

论文摘要: 自由电子激光(FEL)具有波长连续可调、可设计等新颖特性和高效率、高光束质量等潜在能力,在科学、国防、医学和工业等领域有广泛的应用前景。FEL振荡器中的光腔是整个装置的重要组成部分。目前,波荡器FEL光腔的设计与调试还面临着许多难点。这涉及到腔镜损坏、光腔损失,输出耦合,腔长调节,模式演化,对振动及非共线问题的敏感性,抽取效率等。也一直是FEL设计和实验中的瓶颈问题。开展有关光腔三维问题的研究仍属FEL理论前沿,对FEL理论研究的深化和实验装置的设计与改进具有重要意义。本文结合我国紧凑型远红外FEL振荡器和JLAB IR FEL的实际情况,对FEL振荡器中的三维光腔问题进行了理论和数值模拟研究,取得了下列进展。 对孔耦合和边耦合这两种输出方式进行了一定的研究比较。首次实现了加载条件下对边耦合光腔各种参数如输出功率、腔增益、耦合效率等随输出镜尺寸及位置的变化规律的三维数值模拟。证明了边耦合输出用于CAEP FIR FEL的可实用性。通过移动或者更换输出反射镜,改变输出镜尺寸和位置,可以灵活地选择和调节光腔的Q值,适应实验不同阶段的需要。并对谐振腔加入漂移管和不加漂移管两种情况进行了比较分析。这些对于实际装置有指导意义。 对两种输出耦合FEL光腔的模式作了理论研究,对边耦合光腔内的光场进行了模式分解与三维数值模拟。模拟了腔内光场的模式演化情况,及光场饱和时在光腔入口处、出口处、腔镜上的各阶模式分布情况等。证明了在合适的输出孔尺寸和位置的前提下,腔内模式以基模为主。然后在此基础上,采用基模近似方法,给出了光腔抽取率,衍射损失及腔损失的计算公式及变化规律曲线,并与模拟结果进行了一定的比较。 利用计算光束与电子束横向叠合因子的办法来分析了光腔有无波导管时对腔内增益的影响。在此基础上,用三维数值模拟来对比有无波导管时腔

论文目录:

目录

摘要

第一章 绪论

1.1 自由电子激光的发展

1.2 自由电子激光目前发展方向

1.2.1 向短波长推进

1.2.2 致力于高峰值功率与高平均功率的研究

1.3 目前世界上主要的FEL装置及现状

1.3.1 美国的Jefferson Lab

1.3.2 JAERI自由电子激光

1.3.3 Stanford超导加速器FEL

1.3.4 第四代光源及TTF FEL

1.4 我国FEL的发展

1.5 研究背景、创新性和实际意义

1.5.1 研究背景和主要内容

1.5.2 本文的主要创新点

第二章 边耦合光腔用于远红外FEL的研究

2.1 引言

2.2 边耦合与孔耦合

2.3 程序模型

2.3.1 基本方程

2.3.2 初始条件

2.4 数值模拟结果与分析

2.4.1 中心孔耦合

2.4.2 边耦合

2.4.3 中心孔耦合与边耦合的比较

2.4.4 边耦合用于解决CAEP FEL的问题

2.5 小结

第三章 FEL光腔的模式分析

3.1 引言

3.2 腔内模式估计

3.3 腔内光场的模式分解

3.4 腔内模式的数值模拟

3.4.1 孔耦合腔内模式分析

3.4.2 边耦合腔内模式分析

3.5 用基模近似估计

3.5.1 抽取率的计算

3.5.2 衍射损失的计算

3.6 小结

第四章 CAEP FIR FEL光腔改进的模拟与分析

4.1 引言

4.2 关于波导光腔的理论分析

4.3 有无波导时的数值模拟分析

4.4 不同波导间隙的模拟结果

4.5 腔镜倾斜的影响

4.6 小结

第五章 光腔失谐曲线的三维数值模拟研究

5.1 引言

5.2 失谐长度与腔内参数的关系

5.3 失谐曲线的模拟研究

5.3.1 CAEP远红外FEL的模拟

5.3.2 JLAB IR FEL的模拟

5.4 小结

第六章 一种新型FEL光腔的研究分析

6.1 引言

6.2 RAFEL的装置简介

6.3 RAFEL的特性分析

6.4 理论分析与解析估计

6.4.1 理论分析

6.4.2 解析计算

6.5 数值模拟

6.6 结论

结束语

参考文献

致谢

发表论文情况

发布时间: 2005-10-21

参考文献

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