文档介绍：华中科技大学
硕士学位论文
基于FEL的THz源的光腔设计与数值计算
姓名:罗浩
申请学位级别:硕士
专业:电磁场与微波技术
指导教师:田加胜
20090527
华中科技大学硕士学位论文

摘要
基于自由电子激光的太赫兹源(FEL-THz)是产生大功率太赫兹源的最为有效的方
法之一,它有着其他太赫兹源无法比拟的优势,那就是它的波长是连续可调的,所以
频率可以涵盖整个太赫兹波段,甚至更广。而光腔是自由电子激光器的核心部件,它
不仅要使光场和自由电子发生充分地作用从而使光场获得足够的增益,而且它还承担
着激光输出的重任,所以对光腔的研究和设计是非常必要的。
首先,本文研究了 FEL 的一维理论,包括自由电子在摇摆场中的横向运动、自由
电子和光场的相互作用、共振关系、FEL 的增益等等。其次,根据 FEL 的一维理论,
总结出三个方程:电子的能量变化方程、电子的相位变化方程以及辐射光场的场强变
化方程。最后本文根据以上的三个方程编写了 MATLAB 仿真程序,并做了相关的数
值计算。主要的研究工作包括对稳定光学腔结构的研究、腔镜的材料以及耦合输出方
式;在数值计算方面,分别以冷电子束和高斯脉冲为输入,模拟了光腔的起振条件、
光场小信号增益和指数增益的模拟、光场功率饱和现象、摇摆器的周期数与光场增益
的关系、周期数与达到饱和需要的渡越次数之间的关系、不同的电子数以及电子束的
能散度对 FEL 参数的影响。

关键字: 自由电子激光;太赫兹源;光腔;数值计算;MATLAB

I
华中科技大学硕士学位论文

Abstract
Free Electron Laser Terahertz(FEL-THz) source is one of the best effective methods
to generate the high power THz source,which has the advantage of unmatched,because it
can produce coherent and tunable wavelength,which covers the whole THz frequency
range,even optical cavity is the ponent of FEL,which makes electrons
and optical field interact with each other,and then optical field is enoughl
Besides, it bears the important task of laser ,it is very necessary to study and
design the cavity.
First,the 1D theory of FELwhich includes the horizontal movement ,the interaction
and Resonance relations between electrons and optical field, the gain of FEL ,from
the 1D theory of FEL,we can get three equations: energy equation of electrons, phase
equation of electrons and the optical field equations.,from which,the MATLAB codes for
numerical calculation are prepared. The main research work is the study of the structure of
stable optical resonator,mirror material,the way of coupling output. In the numerical
calculations,cold electron beam, respectively, and a gaussian pulse as input,simute the
start-up condition of the cavity,the small signal gain and the exponent gain of th