具有平面、螺旋和椭圆波荡器的自由电子激光器的三维时变模拟

自由电子激光器（FELs）的建造范围涵盖从使用部分波导的长波长振荡器，到紫外直至硬X射线、且为种子型或从噪声起步（SASE）的装置。此外，产生从线性经椭圆到圆偏振等不同输出辐射偏振的FELs目前正在研究中。本文中，我们发展了一种三维、时间相关的表述，能够建模包括不同偏振在内的这一大类FEL构型。我们对光场采用模态展开，即用于自由空间传播的、具有可变偏振的高斯展开。该表述使用完整的牛顿-洛伦兹力方程来追踪粒子穿过光场和静磁场。由此，实现了针对不同波荡器构型（包括平面、螺旋和椭圆波荡器）的任意三维表示。特别地，我们给出了APPLE-II波荡器的解析模型以处理任意椭圆偏振。为模拟振荡器构型，并允许光场在波荡器外传播并与光学元件相互作用，我们将FEL模拟与光学传播代码OPC相链接。我们给出了使用APPLE-II波荡器模型产生椭圆偏振输出辐射的模拟，并与最近在Linac Coherent Light Source上使用锥形波荡器构型的实验进行了详细比较。通过与在ENEA Frascati的SPARC SASE FEL实验、在Brookhaven National Laboratory的种子型锥形放大器实验、以及在Thomas Jefferson National Accelerator Facility的10-kW升级振荡器实验中所获结果的比较，也展示了非线性形成的验证。