自由电子激光中N光子康普顿散射的理论研究与程序设计

摘要

研究自由电子激光核心问题是自由电子与光场的相互作用。随着激光技术的发展,相对论性自由电子与强激光场作用时,表现出一些非线性现象,与常规的Compton散射不同,此时能量交换的主要方式是非线性Compton散射,电子吸收多个光子,发射一个新的光子,这使短波长自由电子激光的研究进入一个全新的领域。 本文主要用两种模型对相对论性电子与光子的非线性Compton散射机制进行研究。一是采用标准微扰理论,不考虑光场强度,n个光子全部被吸收;二是计及光场强度,采用半经典量子电动力学的方法。全文共包括五章: 第一章绪论,简要介绍了自由电子激光的发展、应用和趋势,以及非线性Compton散射的发展和现状。 第二章用标准微扰论,采用n光子集团模型,研究了非线性Compton散射光子频率和电子能量变化,编写程序对低频极限下的情况进行深入探讨,并推导出电子静止参考系的微分散射截面表达式,最后通过洛仑兹变换转换到实验室参考系下。结果表明:散射光子频率和电子能量变化与光子数成正比。程序中绘制散射光子频率和电子能量变化的角分布图,可以看出电子归一化速度控制图形的尖锐程度,光子与电子的入射角控制散射光子频率峰值所对应的散射角,峰值时对应方位角为0。散射光的微分散射截面与散射角、方位角和初始条件有关,并与光子数密度的(n1)次方成正比。 第三章用半经典方法对多光子非线性Compton散射过程中散射光子频率和电子能量变化进行了研究,并编写程序绘制低频极限条件下的散射光子频率和电子能量变化的角分布图。介绍自由电子在外场中运动的量子电动力学理论,研究了圆极化强平面电磁波场中的非线性Compton散射的微分散射截面特性。结果表明:散射光子频率和电子能量变化与散射角、方位角和初始条件有关,与光子数成正比。程序中电子归一化速度控制图形的尖锐程度,入射角控制散射光子频率峰值所对应的散射角,光场强度则对两者都有影响。散射光子能量取峰值时对应方位角为0。微分散射截面与初始条件和散射方向有关。 第四章比较了上述两种模型进行,结果表明:要获得短波长自由电子激光,要使散射角趋于180,方位角趋于0或180,并选取适当的入射角和光场强度。 第五章总结,总结本论文的主要结果,并指出了多光子散射在短波光源和自由电子激光发展中的重要性。

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第一章 绪论

§1.1 自由电子激光的发展及研究动态

§1.2 自由电子激光的应用及发展趋势

§1.3 多光子现象的发展及研究动态

§1.4本论文研究目的及意义

第二章 n光子Compton散射的标准微扰理论及其程序设计

§2.1 n光子Compton散射的“虚光子”理论

§2.2 n光子Compton散射的散射光子频率

§2.3 n光子Compton散射的电子能量变化

§2.4 n光子Compton散射的程序设计

§2.5 n光子Compton散射的微分散射截面

第三章 n光子非线性Compton散射的数值研究及程序设计

§3.1 n光子非线性Compton散射的散射光子频率

§3.2 n光子非线性Compton散射的电子能量变化

§3.3 n光子非线性Compton散射的程序设计

§3.4 n光子非线性Compton散射的微分散射截面

第四章 两种模型的比较

§4.1 散射光子频率的比较

§4.2 电子能量变化的比较

第五章 总结与展望

参 考 文 献

攻读硕士期间发表的论文

致谢