電磁波搖擺器短波長(zhǎng)自由電子激光非線性理論研究.pdf

1、相對(duì)論性自由電子與強(qiáng)激光場(chǎng)作用時(shí),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(zhǎng)自由電子激光的研究進(jìn)入一個(gè)全新的領(lǐng)域.提出了獲得短波長(zhǎng)自由電子激光的一種新方案,即通過(guò)研究相對(duì)論性電子與強(qiáng)場(chǎng)的對(duì)撞,可以在背散射方向獲得短波長(zhǎng)的散射光.此外,為擴(kuò)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(qiáng)電磁場(chǎng)和強(qiáng)磁場(chǎng)共同充當(dāng)搖擺器,這對(duì)于完善背散射方向獲得短波長(zhǎng)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(lái)研究

2、相對(duì)論性電子與強(qiáng)激光場(chǎng)散射的作用機(jī)制:一是基于強(qiáng)場(chǎng)QED半經(jīng)典理論,研究方法是將光場(chǎng)看做外場(chǎng),作用過(guò)程吸收多個(gè)光子,發(fā)射一個(gè)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(duì)論性電子與強(qiáng)激光場(chǎng)的散射過(guò)程.主要探討了強(qiáng)場(chǎng)條件下的一些非線性現(xiàn)象、重點(diǎn)討論了對(duì)撞情形下散射頻率及光子發(fā)射幾率表達(dá)式、在背散射方向產(chǎn)生諧波光譜、并對(duì)微分散射截面進(jìn)行了推導(dǎo)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(yīng)用,概述電磁波搖擺器短波

3、長(zhǎng)FEL非線性理論發(fā)展及研究現(xiàn)狀,提出獲得短波長(zhǎng)自由電子激光的一種新方案.
　　第二章介紹相對(duì)論性自由電子在強(qiáng)場(chǎng)搖擺器中運(yùn)動(dòng)的量子電動(dòng)力學(xué)理論,并介紹處理電子在外場(chǎng)中發(fā)射光子問(wèn)題的半經(jīng)典方法.
　　第三章采用強(qiáng)場(chǎng)QED半經(jīng)典理論,使相對(duì)論性電子與強(qiáng)激光發(fā)生對(duì)撞,在背散射方向可獲得最短波長(zhǎng)的的散射光子.探討強(qiáng)場(chǎng)條件下的一些非線性現(xiàn)象、重點(diǎn)討論了相對(duì)論性電子和圓極化強(qiáng)平面電磁波場(chǎng)對(duì)撞情形下的散射頻率及光子發(fā)射幾率表達(dá)式,并通過(guò)解

4、析和數(shù)值分析.結(jié)果表明,強(qiáng)度效應(yīng)對(duì)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(qiáng)度因子出現(xiàn)在散射頻率表達(dá)式的分母上.當(dāng)相對(duì)論性電子在強(qiáng)場(chǎng)中運(yùn)動(dòng),其質(zhì)量轉(zhuǎn)移與場(chǎng)強(qiáng)度有定量關(guān)系.為得到短波長(zhǎng)自由電子激光,需要“藍(lán)移逆Compton”散射,此時(shí)電子能量轉(zhuǎn)化為光場(chǎng)能量.因此可以通過(guò)調(diào)節(jié)激光場(chǎng)的強(qiáng)度Q使得光譜處于“藍(lán)移逆Compton”區(qū)域.強(qiáng)場(chǎng)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(shì),1n的基頻諧波對(duì)應(yīng)的光子發(fā)射幾率處于主導(dǎo)地位,光子發(fā)射幾率的貢獻(xiàn)主要來(lái)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(xiàn),對(duì)于高次諧波,在背散射方向有一個(gè)“死錐角區(qū)”.
　　第四章采用經(jīng)典理論研究了相對(duì)論電子在橫向圓極化平面電磁波的時(shí)空位置、動(dòng)量、能量的普遍表達(dá)式.并通過(guò)洛倫茲變換將電子坐標(biāo)系中n次諧波單位立體角平均輻射功率表達(dá)式轉(zhuǎn)換為實(shí)驗(yàn)室坐標(biāo)下的n次諧波單位立體角平均輻射功率表達(dá)式.重點(diǎn)討論了相對(duì)論電子與

6、強(qiáng)激光場(chǎng)對(duì)撞,在背散射方向產(chǎn)生諧波光譜,并對(duì)微分散射截面進(jìn)行了推導(dǎo)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(guān).考慮圓極化強(qiáng)場(chǎng)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(duì)撞情形的散射可以在高能電子運(yùn)動(dòng)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(wú)限度地提高光強(qiáng)將不利于產(chǎn)生高頻光.所以要利用非線性背散射來(lái)做短波光源,入射光場(chǎng)的強(qiáng)度要選擇適當(dāng),不能過(guò)高也不能過(guò)低,過(guò)高則會(huì)提高對(duì)電