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带介质加载圆柱光栅的史密斯-珀塞尔自由电子激光器的起始电流与增长率

DOI：10.1007/s40094-019-00358-0 期刊：Journal of Theoretical and Applied Physics 出版年份：2019 更新时间：2025-09-11 14:15:04
摘要： 我们提出了一种针对史密斯-珀塞尔器件的解析理论，该器件通过沿光栅轴线传播的环形电子束产生圆柱形金属-介质光栅。我们获得了方位角对称模式的色散关系，并比较了与电子束同相的模式的阶和二阶增长率。研究表明，对于厚度较大的电子束以及槽深较小、长度较大的光栅槽，二阶增长率能更准确地描述束波相互作用。本文还给出了SP-FEL（表面等离子体自由电子激光器）作为返波管运行时的起振电流。起振电流最小值的重要性在于：超过该值时，即使没有外部反馈，SP-FEL也会作为振荡器工作。此时同步倏逝波的群速度为负值，而电子束沿正向运动。本文证明介质和光栅参数会影响起振电流值，因此通过改变这些参数可获得起振电流的最小值。
作者： Zahra Rezaei，Bizhan Farokhi
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研究概述

研究目的

提出一种史密斯-珀塞尔器件的解析理论，该器件中圆柱形金属-介质光栅由沿光栅轴线传播的环形电子束产生，并比较与电子束同相的模式的基阶和二阶增长率。

研究成果

本文提出了一种金属-介质圆柱光栅产生史密斯-珀塞尔辐射的理论。该构型中研究了光栅参数对色散曲线、增长率及起振电流的影响。加载介质并采用更短深度更大的槽结构可使色散曲线更平坦，降低束波相互作用的工作频率。通过分析共振点处一阶与二阶增长率发现：增大槽深、减小槽长、降低相对介电常数εr以及增加束流厚度会提升归一化增长率值。束流相对速度的提升起初会增强增长率，随后随工作点频率升高而下降。对比两条增长率曲线表明：当槽长和束流厚度取值较大而槽深较小时，二阶增长率更为精确。此外，基于边界条件和色散关系推导了SP-FEL产生BWO辐射所需的起振电流。研究表明：相对介电常数εr增大初期会提高起振电流，但当εr超过约9后起振电流反而降低。增大光栅长度、减小槽长和槽深均可降低阈值电流。这些结果可用于优化基于史密斯-珀塞尔辐射的自由电子激光器。

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