自由电子激光器中宽带相互作用的模型与模拟

我们提出了一种用于模拟自由电子激光器（FEL）中相互作用的三维空间-频率模型。该模型利用波导的横向本征模展开总电磁场（辐射波和空间电荷波），场在该波导中被激发并传播。电子束与电磁场之间的相互作用由耦合方程完整描述，这些方程表达了模式振幅的演化和电子束动力学。基于该三维模型，我们开发了一个数值粒子模拟程序。一组在频域中表示的耦合模式激励方程与粒子运动方程自洽求解。使用变分数值方法模拟了后向模式的激发。目前，该程序可以模拟自由电子激光器在各种模式下的运行：自发（散粒噪声）和自放大自发辐射（SASE）、超辐射和受激发射，所有这些都在非线性康普顿或拉曼机制下进行。