SASE自由电子激光起振问题及统计特性的数值模拟.pdfVIP

　第 14 卷 　第 6 期 强 激 光 与 粒 子 束 Vol. 14 ,No. 6 　 　2002 年 11 月 HIGH POWER LASER AND PARTICLE BEAMS Nov. ,2002 　 ( ) 文章编号 : 2002 SASE 自由电子激光起振问题及统计特性的数值模拟 窦玉焕1 ,2 , 　束小建2 ( 1. 中国工程物理研究院 研究生部, 北京 100088 ; 　2 . 北京应用物理与计算数学研究所 , 北京 100088) 　　摘 　要 : 　介绍一种自放大自发辐射自由电子激光( SASE FEL) 的自发辐射和电子束噪声的数学描述 ,运用 修正的一维非定态程序 ,对 SASE FEL 起振问题及光场统计特性进行了数值模拟 ,分析了自发辐射谱的发展过 程及一定频带宽度内光场随机特性的统计规律 ,数值模拟结果与理论结果符合较好。 　　关键词 : 　自由电子激光; 　自放大自发辐射 ; 　统计特性 ; 　光谱 ; 　数值模拟 　　中图分类号 : 　O432. 12 ; 　TN248. 6 　　　　文献标识码 : 　A ( ) ( ) 　　近年来 , 自放大自发辐射 SASE 自由电子激光 FEL 作为一种高强度、超短波长如远紫外或 X 射线激光 源 ,越来越受到从事 FEL 研究的人们的关注。当足够高的密度及能量的电子束经过一个长的波荡器时 , 电子 束产生的自发辐射与电子束相互作用并引起相干指数增长 ,在波荡器末端产生高功率的相干光源 ,从而实现 SASE FEL 。最近几年里 ,几个大型实验已在越来越短的波长下成功演示了高增益 SASE FEL 过程。1998 年在 ( ) μ [1 ] ( ) Los Alamos UCLALANL 实验中获得了波长为 12 m 的激光 ;1999 年在 Argonne LEUTL 实验中产生了波长为 [2 ] ( ) [3 ] 530nm 的激光 ;2000 年在 DESY TTF FEL 实验中输出了波长为 109nm 的激光 。其中某些实验装置的输出 已达到饱和。在理论研究方面, 已有人从一维MaxwellVlasov 方程出发 ,研究了从初始自发辐射到指数增长相 干光源的演化过程及输出光的平均特性[4 ,5 ] ,讨论了 SASE FEL 的统计特性[6 ,7 ] 。我国在 SASE FEL 方面的研究 还很少 ,文献报导也很少见。 　　对 SASE FEL 实验的合理设计紧紧依赖于对其光场放大过程及光场特性的了解。SASE FEL 作为一种没有 输入信号的单程 FEL 放大器 ,其放大过程开始于电子束中的点噪声或自发辐射 , 因而光场的放大过程及输出 特性具有很强的随机性。由于没有输入信号 ,SASE 问题实际上是个初值问题,但在我们已有的 FEL 数值模拟 程序中 ,均没有加入自发辐射 ,初始值大都是给一个相当于自发辐射水平的初始功率。本文通过修正一维非定 态 FEL 程序[8 ] ,较为细致地描述了自发辐射谱沿波荡