高增益短波長(zhǎng)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(shí)驗(yàn)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(xiàn)的工作方式，在飛秒化學(xué)、生物分子結(jié)構(gòu)、納米科學(xué)、原子分子物理學(xué)等廣泛的研究領(lǐng)域有巨大的應(yīng)用前景，成為了當(dāng)前世界上FEL領(lǐng)域的一個(gè)發(fā)展熱點(diǎn)，已經(jīng)形成了多個(gè)總體性方案。 但是高增益FEL裝置結(jié)構(gòu)龐大，技術(shù)難度極高，投資規(guī)模往往達(dá)到數(shù)億美金。因此在裝置建造以前，必須進(jìn)行詳細(xì)的理論分析和模擬計(jì)算。不同模式的高增益FEL都有特定的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，然而沒(méi)有一種具有壓倒性的

2、優(yōu)勢(shì)，提出并分析不同的高增益模式，以產(chǎn)生具有相干性好、功率穩(wěn)定、輻射亮度高等優(yōu)異品質(zhì)的X射線(xiàn)自由電子激光，成為當(dāng)今FEL領(lǐng)域中一個(gè)研究前沿。 本論文的主要內(nèi)容是高增益短波長(zhǎng)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(xiàn)自由電子激光模式的計(jì)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(jì)算程序的編寫(xiě)、HGHG半解析計(jì)算與參數(shù)優(yōu)化方法的討論、級(jí)聯(lián)HGHG的參數(shù)優(yōu)化和計(jì)算方法的討論、國(guó)家同步輻射實(shí)驗(yàn)室X

3、射線(xiàn)FEL計(jì)劃方案物理參數(shù)的初步設(shè)計(jì)幾方面的工作。另外，基于THz光源的應(yīng)用前景，本論文最后一章分析了儲(chǔ)存環(huán)插入元件的長(zhǎng)波長(zhǎng)輻射性能。 本論文追蹤國(guó)際FEL前沿，并結(jié)合本實(shí)驗(yàn)室的一些原創(chuàng)性理論，取得了下列進(jìn)展：編寫(xiě)了一維時(shí)間依賴(lài)FEL計(jì)算程序TDH1D，該程序的主要目的是為了對(duì)不同模式的X射線(xiàn)FEL進(jìn)行快速依賴(lài)于時(shí)間的計(jì)算，分析它們的縱向相干性、輻射帶寬、信噪比等前沿?zé)狳c(diǎn)問(wèn)題。另外，因?yàn)門(mén)DA3D、Genesis等公開(kāi)的FEL模

4、擬軟件不易于分析FEL高次諧波性能，TDH1D可以對(duì)高次諧波多方面的性能進(jìn)行比較細(xì)致的計(jì)算。TDH1D從基本的FEL一維理論出發(fā)，采用“宏粒子”計(jì)算方法，引入慢變包絡(luò)近似(SVEA)和一個(gè)波蕩器周期平均近似等。TDH1D進(jìn)行了一些三維效應(yīng)的修正，在不降低計(jì)算速度的同時(shí)，得到與三維計(jì)算更加接近的結(jié)果。 根據(jù)賈啟卡研究員推導(dǎo)的HGHG一維解析理論，編寫(xiě)數(shù)值計(jì)算程序HG1D。HG1D的主要作用是結(jié)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(duì)輻射的影響，快速優(yōu)化實(shí)驗(yàn)參數(shù)。并且通過(guò)HG1D對(duì)上海深紫外自由電子激光裝置種子激光功率和色散段強(qiáng)度的優(yōu)化，討論了它們對(duì)于飽和功率與飽和長(zhǎng)度的影響，并進(jìn)行了理論分析。 計(jì)算并且分析了主要的X射線(xiàn)自由電子激光方案，包括SASE、級(jí)聯(lián)HGHG的輻射性能，計(jì)算了HHG驅(qū)動(dòng)單級(jí)HGHG產(chǎn)生超短脈沖軟X射線(xiàn)的性能，提出并且計(jì)算分析了一種簡(jiǎn)化的級(jí)聯(lián)HGHG方案，說(shuō)明在軟X射線(xiàn)波段，該方案可以產(chǎn)生較好的輻射。利用TDH1D

6、初步計(jì)算了自種子SASE的情況。 級(jí)聯(lián)HGHG的研究屬于FEL前沿領(lǐng)域，并且結(jié)構(gòu)復(fù)雜、參數(shù)眾多，沒(méi)有一種軟件是專(zhuān)門(mén)針對(duì)這種模式的。據(jù)我們所知，國(guó)際上關(guān)于這種模式FEL的計(jì)算方法和參數(shù)優(yōu)化方法公開(kāi)的報(bào)道不多，沒(méi)有現(xiàn)成的經(jīng)驗(yàn)照搬。本論文通過(guò)國(guó)家同步輻射實(shí)驗(yàn)室X射線(xiàn)自由電子激光計(jì)劃方案的物理參數(shù)設(shè)計(jì)，討論了級(jí)聯(lián)HGHG的計(jì)算方法和參數(shù)優(yōu)化方法。并且根據(jù)工程設(shè)計(jì)的要求，進(jìn)行了誤差分析、start-to-end模擬計(jì)算，以及波蕩器和色散段