毫米波段自由电子激光器(简称FEM)是当前自由电子激光(FEL)研究领域里的一个重要分支,它具有频带宽、频率连续可调等特点,在军用和民用方面有着巨大的应用潜力,许多国家的科研机构都在从事这方面的研究,而且已取得了重要的成果。本文对毫米波段自由电子激光器(FEM)特性做了广泛深入的研究,内容包括:椭圆波导FEM放大器的三维非线性研究;椭圆开槽波导FEM放大器的三维非线性研究;等离子体加载具有平板摇摆器系统FEM的线性分析;新结构Smith-Purcell型 FEM的粒子模拟及实验研究。本文首先对椭圆波导中的电磁场进行了分析,导出了椭圆波导中电磁场各分量的表达形式,给出了数值求解马丢函数特征值及系数的方法,该方法原则上适用于任意偏心率椭圆波导的计算,而且具有很高精度。在此基础上,利用三维非线性理论,导出了以椭圆波导、平板摇摆器为FEM放大器模型的三维非线性工作方程组,考虑了电子注发射度、空间电荷波效应、电子注在互作用区入口处的绝热压缩过程以及变参数摇摆器等因素。根据导出的方程组,进一步开发了可适用于任意椭圆度的椭圆波导FEM放大器三维非线性数值模拟程序。利用该程序研究了椭圆波导FEM放大器的输出功率、效率、带宽等高频特性,并对不同椭圆度的椭圆波导FEM放大器的性能进行了计算、对比分析。创新地提出了在FEM放大器中使用椭圆开槽波导结构,详细地进行了理论分析和数值计算。用三维非线性理论导出了椭圆开槽波导FEM放大器三维自洽非线性方程组,利用数值模拟程序,研究了饱和功率、效率及带宽等高频特性,并与圆开槽波导FEM放大器性能进行对比。 在高功率微波器件和自由电子激光器的注-波互作用区,填充适当密度的等离子体可以有效地提高器件的工作特性,这引起了许多学者的关注。本文对等离子体加载具有平板摇摆器系统的自由电子激光进行了初步的探讨,利用线性理论导出了自由电子激光工作的色散方程,分析了等离子体密度对光波增长率的影响,从理论上分析了加载等离子存在临界密度,超过临界密度则不能产生激光。 <WP=9> 球面开放谐振腔Smith-Purcell自由电子激光器的方案在国内外属于首创。这种方案可用于加工简单、价格低廉的系统来产生短毫米波及远红外波段的可调谐辐射信号,为毫米波、亚毫米波源的开发提供了一个新途径。本文利用MAGIC程序对该器件进行了粒子模拟研究,模拟给出器件的工作频率、输出效率、功率等参量;还通过实验测出谐振腔的频谱及腔场分布。为下一步进行热测实验提供了理论基础。本论文通过对毫米波段自由电子激光器的理论和实验研究,取得了一系列具有应用价值的研究成果:分析了椭圆波导中场分布的特点,研究了椭圆波导中马丢函数特征值及系数的数值求解方法,该方法适用于任意椭圆度的椭圆波导求解问题。首次利用三维非线性理论对椭圆波导FEM放大器做了比较详细研究和数值分析。研究了电子注发射度、空间电荷波效应、变参数摇摆器以及波导椭圆度对高频特性的影响。发展了已有的FEM放大器三维非线性模拟程序,使之适用于任意椭圆度的椭圆波导FEM放大器三维非线性模拟计算。创新地提出在FEM放大器中使用椭圆开槽波导结构,并详细地进行了理论推导和数值分析。5)初步探讨了加载等离子体对具有平板摇摆器系统自由电子激光性能的影响,利用线性理论导出了自由电子激光的色散方程,从理论上析了加载等离子存在临界密度,超过临界密度则不能产生激光。 6)首次对新型的球面开放谐振腔Smith-Purcell自由电子激光实验装置进行了粒子模拟及实验研究。