電磁波搖擺器短波長自由電子激光非線性理論研究.pdf

1、相對論性自由電子與強激光場作用時,表現(xiàn)出一些非線性現(xiàn)象,不同于常規(guī)的康普頓散射,使得短波長自由電子激光的研究進入一個全新的領域.提出了獲得短波長自由電子激光的一種新方案,即通過研究相對論性電子與強場的對撞,可以在背散射方向獲得短波長的散射光.此外,為擴展在背散射方向各諧波光譜的范圍,本論文首次采用圓極化強電磁場和強磁場共同充當搖擺器,這對于完善背散射方向獲得短波長自由電子激光具有十分重要的意義.
　　本論文主要從兩種理論模型來研究

2、相對論性電子與強激光場散射的作用機制:一是基于強場QED半經(jīng)典理論,研究方法是將光場看做外場,作用過程吸收多個光子,發(fā)射一個新光子;二是采用經(jīng)典理論,從哈密頓—雅可比方程出發(fā),研究相對論性電子與強激光場的散射過程.主要探討了強場條件下的一些非線性現(xiàn)象、重點討論了對撞情形下散射頻率及光子發(fā)射幾率表達式、在背散射方向產(chǎn)生諧波光譜、并對微分散射截面進行了推導和數(shù)值分析.
　　第一章緒論,介紹自由電子激光的發(fā)展與應用,概述電磁波搖擺器短波

3、長FEL非線性理論發(fā)展及研究現(xiàn)狀,提出獲得短波長自由電子激光的一種新方案.
　　第二章介紹相對論性自由電子在強場搖擺器中運動的量子電動力學理論,并介紹處理電子在外場中發(fā)射光子問題的半經(jīng)典方法.
　　第三章采用強場QED半經(jīng)典理論,使相對論性電子與強激光發(fā)生對撞,在背散射方向可獲得最短波長的的散射光子.探討強場條件下的一些非線性現(xiàn)象、重點討論了相對論性電子和圓極化強平面電磁波場對撞情形下的散射頻率及光子發(fā)射幾率表達式,并通過解

4、析和數(shù)值分析.結(jié)果表明,強度效應對散射頻率的非線性影響主要表現(xiàn)在兩方面:一是電子可以吸收更多的光子,非線性首先表現(xiàn)在作用的光子數(shù)目上;二是激光強度因子出現(xiàn)在散射頻率表達式的分母上.當相對論性電子在強場中運動,其質(zhì)量轉(zhuǎn)移與場強度有定量關系.為得到短波長自由電子激光,需要“藍移逆Compton”散射,此時電子能量轉(zhuǎn)化為光場能量.因此可以通過調(diào)節(jié)激光場的強度Q使得光譜處于“藍移逆Compton”區(qū)域.強場條件下,隨吸收光子數(shù)n的增加,光子發(fā)射

5、微分幾率呈下降趨勢,1n的基頻諧波對應的光子發(fā)射幾率處于主導地位,光子發(fā)射幾率的貢獻主要來自基頻諧波.在背散射和向前散射方向只有基頻諧波有貢獻,對于高次諧波,在背散射方向有一個“死錐角區(qū)”.
　　第四章采用經(jīng)典理論研究了相對論電子在橫向圓極化平面電磁波的時空位置、動量、能量的普遍表達式.并通過洛倫茲變換將電子坐標系中n次諧波單位立體角平均輻射功率表達式轉(zhuǎn)換為實驗室坐標下的n次諧波單位立體角平均輻射功率表達式.重點討論了相對論電子與

6、強激光場對撞,在背散射方向產(chǎn)生諧波光譜,并對微分散射截面進行了推導和數(shù)值分析.結(jié)果表明:微分散射截面與初始條件、散射光子的出射方向有關.考慮圓極化強場的背散射情形,只有1n的基頻諧波,微分散射截面不為零,因此利用對撞情形的散射可以在高能電子運動方向上獲得最大頻率的相干光子.提高電子能量有利于產(chǎn)生高頻光,而無限度地提高光強將不利于產(chǎn)生高頻光.所以要利用非線性背散射來做短波光源,入射光場的強度要選擇適當,不能過高也不能過低,過高則會提高對電