Abstract
自由電子雷射乃是利用一電子束入射至一周期性振璗磁場, 使電子產生橫向速度分量, 可以和電磁波交換能量, 在適當的狀況下電子的動能會部份變為電磁輻射, 產生的輻射具有同調性(coherent), 具有一般雷射的特性。本研究利用自行發展的一維符合相對論運動, 全電磁場模擬程式進行自由電子雷射過程之電腦模擬研究。首先以一簡單特例, 使單一帶電粒子具橫向速度, 模擬其所產生電、磁場的橫向傳遞情形, 與理論值相比較, 證實程式的可用性。接著比較一維靜電場模式與具二維效應的靜電場模式所產生的效應, 一維靜電場模式會高估電荷空間電場, 使得電子束前半部被過份加速, 而后半部被過份減速, 甚至產生雜訊, 具二維效應的靜電場模式則能符合理論的要求。若將電子束分成間隔小群(Bunched Electron Beam) 與同電流強度的均勻電子束入射進FEL,可觀察到前者所產生的電磁場比后者要大得多, 且能量轉換亦較快。自由電子雷射以放大器方式操作下, 會增益入射電磁波, 使得輸出電磁波能量變大。在本研究中比較了考慮靜電場和忽略靜電場對於整個模擬的影響, 顯示靜電場會使前方粒子加速, 后方粒子減速, 并阻掣群聚; 若不考慮靜電場, 會使得群聚提早發生,且會高估輸出電磁波能量。模擬結果顯示入射9.2×10 W/n (?kW)之雷射可得輸出2.6×10 W/m (?MW),增約3000倍。本研究所發展出的程式與一般周期性電漿或微波模擬程式不同, 因為考慮到高能電子束有限長度, 故必須使用非周期性模擬方式, 於是在計算電磁波強度之方法上, 只能捨去較為精確的傅氏轉換法, 而改采J.M.Dawson所發展出來的二微差分法, 但因此本程式能考慮到實際操作時電子束長的有限性并空間電荷電場的效應。研究結果顯示, 本程式特別適用於須考慮空間電荷電場的情形, 將來稍作修改則可用來模擬tappered wiggler之FEL,甚至其他類似原理的雷射源, 如CARM或IIEL等。