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第一章　引论 1

1.1 自由电子激光的新颖特性 1

1.1.1　激光输出功率高 1

1.1.2　激光波长连续可调 2

1.1.3　光束质量好 3

1.1.4　精细而稳定的时间结构 3

1.1.5　激光效率高 4

1.2 自由电子激光发展简史 4

1.3 自由电子激光国内外研究动态 7

1.3.1　提高电子束品质 12

1.3.2　采用电子储存环进行超短波长自由电子激光研究 16

1.3.3　改进摇摆器设计 18

1.3.4　光学谐振腔的研究 19

1.3.5 自由电子激光应用技术的研究 19

1.3.6　其它方面的研究工作 19

第二章 自由电子激光的基础理论 22

2.1 自由电子激光的一维理论 22

2.1.1 自由电子激光的共振关系 22

2.1.2　摇摆器的能量耦合功能 26

2.1.3　电子在摇摆器中的自发辐射 29

2.1.4　在摇摆器中电子和激光的相互作用 35

2.1.5 自由电子激光的小讯号增益 41

2.1.6　自由电子激光的指数增益 48

2.1.7 自由电子激光的功率饱和现象 50

2.1.8 自由电子激光中的边带不稳定性 57

2.1.9　边带不稳定性的KMR理论 60

2.2 自由电子激光的三维理论 65

2.2.1 自由电子的回旋加速（Betatron）运动 66

2.2.2　电子束的发射度和亮度 69

2.2.3　电子束的包络方程 73

2.2.4　电子的纵向运动方程 78

2.2.5　等效能散度 80

2.2.6　旁轴波动方程 82

2.2.7 自由电子激光中的光导现象 87

2.2.8　带波导管的自由电子激光 94

2.3 自由电子激光中的集体效应 97

2.3.1　集体效应的线性理论 97

2.3.2　线性理论的色散关系 100

2.3.3　不同工作区的固有效率 103

3.2　康普顿型自由电子激光 107

3.2.1　一般叙述 107

3.1　引言 107

第三章 自由电子激光器的基本类型 107

3.2.2 北京自由电子激光器 108

3.3　喇曼型自由电子激光 116

3.3.1　喇曼型自由电子激光判据 116

3.3.2　电子激光装置（ELF） 117

3.3.3　ELF的主要实验结果 120

3.3.4　曙光一号自由电子激光实验 120

3.4　光学速调管的基本思想 122

3.5　储存环自由电子激光 126

3.5.1　引言 126

3.5.2　储存环自由电子激光物理 127

3.5.3　储存环自由电子激光平均输出功率 131

3.6　电磁波泵浦自由电子激光 133

3.7　契伦柯夫自由电子激光 137

3.8　其它类型自由电子激光 142

3.8.1 无摇摆器自由电子激光（CARM） 142

3.8.2　气体加载自由电子激光 143

3.8.3　史密斯-伯塞尔效应自由电子激光 145

第四章　电子加速器 148

4.1　引言 148

4.2　脉冲线型电子加速器 149

4.3.1　感应直线加速器的原理 155

4.3　感应直线加速器 155

4.3.2　感应直线加速器的基本组成 157

4.4　射频直线加速器 165

4.4.1 概述 165

4.4.2　直线加速器中的加速电场 168

4.4.3　射频直线加速器中粒子的相运动 170

4.4.4　强流微脉冲电子束团的获取 176

4.4.5　光阴极注入器 181

4.4.6　射频超导直线加速器 188

4.5　电子储存环 193

4.5.1　电子储存环概述 193

4.5.2 电子储存环的粒子动力学 195

4.5.3　辐射阻尼 202

4.5.4　束团尺寸 203

4.5.5　束流寿命 204

4.5.6　束流不稳定性 206

4.6　电子回旋加速器 208

4.6.1　电子回旋加速器 208

4.6.2　跑道式电子回旋加速器 209

4.6.3　回旋加速器在自由电子激光中的应用 210

4.7　静电加速器 211

5.1 引言 216

第五章　束流传输系统 216

5.2.1　束流的相空间描述 218

5.2　束流的聚焦和传输特性 218

5.2.2　束流的传输矩阵 222

5.2.3　束流的特性矩阵 228

5.3　束流的偏转和消色散 232

5.4　等时性偏转系统 237

5.5　四极磁透镜、二极磁铁、聚焦线圈的原理及结构 238

5.5.1　四极磁透镜 238

5.5.2　二极偏转磁铁 244

5.5.3　螺线管线圈 253

5.6.1　线性空间电荷效应 259

5.6　传输系统中的空间电荷效应和尾场效应 259

5.6.2　尾场效应 263

5.7　运行中的束线系统 266

第六章　摇摆器 273

6.1 引言 273

6.2 电磁铁摇摆器 275

6.2.1　磁感应场分布 275

6.2.2　横向磁感应场的非均性 277

6.2.3　最大磁感应场设计 279

6.2.4　电磁铁摇摆器的馈电系统 282

6.3　永磁摇摆器 285

6.4　混合型摇摆器 293

6.5　螺旋摇摆器 299

6.6　微型摇摆器 304

6.6.1　混合型微型摇摆器 305

6.6.2　脉冲式双绕螺旋线微型摇摆器 306

6.6.3　带状电子束的微型摇摆器 307

6.7　摇摆器磁感应场测量 307

6.7.1　霍尔片磁测量系统 308

6.7.2　脉冲线磁感应场测量技术 310

6.7.3　脉冲线磁感应场测量技术在摇摆器中的应用 312

7.1 引言 316

第七章　光学谐振腔 316

7.2　光学腔的作用 317

7.3　光学谐振腔的分类 318

7.4　光学谐振腔理论基础 320

7.5　数值迭代法 322

7.6　稳定球面光学腔 328

7.6.1 本征模 328

8.2　束流、束斑和束位置的测量 328

7.6.2　等价共焦腔理论 330

7.6.3　近共心腔在自由电子激光器光学腔中的应用 333

7.7　孔耦合光学腔 335

7.8　布鲁斯特角平板耦合输出光学腔 342

7.9　非稳定光学腔 344

7.10　环形光学腔 347

7.11　新颖的光学腔设计 352

第八章　电子束诊断 357

8.1　引言 357

8.2.1　束流变换器（Beam Current Transformer） 358

8.2.2　法拉第筒 363

8.2.3　电阻环方法 365

8.2.4　束流剖面（束斑）测量 368

8.3　束流发射度的测量 371

8.3.1　单缝多丝靶法 371

8.3.2　胡椒孔（pepper pot）方法 373

8.3.3　三剖面法或三梯度法 376

8.4　束流能散度的测量 379

8.4.1　宏脉冲时间分辨能谱系统 384

8.4.2　微脉冲时间分辨能谱系统 387

8.5　束流微脉冲测量 390

9.1 自由电子激光在军事上的应用 396

9.1.1　定向能武器 396

第九章 自由电子激光的应用 396

9.1.2　战略激光武器 398

9.1.3　战术激光武器 401

9.1.4　在军事上的其它应用 403

9.2 自由电子激光在可控热核聚变中的应用 404

9.3 自由电子激光在生物医学中的应用 407

9.3.1 自由电子激光用于外科手术 408

9.3.2　自由电子激光用于眼科手术 409

9.3.3　在癌症肿瘤的诊断和治疗中的应用 411

9.3.4　在治疗心血管疾病中的应用前景 414

9.3.5　光线疗法与光化学疗法 415

9.3.6　自由电子激光在生物学中的潜在应用 416

9.4 自由电子激光在材料科学中的应用 419

9.4.1 自由电子激光在材料光谱分析中的应用 420

9.4.2　自由电子激光在固体材料瞬态过程研究中的应用 425

9.4.3 自由电子激光在半导体新材料研究中的应用 426

9.4.4 自由电子激光在研究低损耗光纤通信中的应用 428

9.5 自由电子激光在光化学中的应用 429

9.5.1　微量元素的光化学分析法 430

9.5.2　激光同位素分离法 431

9.6 自由电子激光在其他领域的应用前景 433