自由电子激光作为第四代光源,自上世纪70年代以来,就以波长连续可调、高亮度、时间结构优异和优秀的相干性等特点,受到国内外科学界的广泛关注。它能够工作在常规激光无法达到的波长范围,其中包括了非常有吸引力的X射线范围。作为自由电子激光研究中的核心装置之一,波荡器的研究也受到了广泛关注。短周期高场强波荡器有利于使自由电子激光向更短的波长发展,也有利于自由电子激光装置的小型化。本文在这种背景下,主要围绕短周期高场强波荡器展开研究,根据实际需要,对高场强纯永磁波荡器和交错磁极波荡器进行了研究,还研究了一种可变椭圆极化波荡器。对交错磁极波荡器进行了研究。典型的交错磁极波荡器,由纵向上周期排列的磁极构成,当纵向磁场进入波荡器时,将产生周期性的横向磁场。本文提出了在磁极之间加入垂直磁化的磁块的方案。由于磁块本身将会产生周期性的横向磁场,它将会进一步加强波荡器的峰值场强,也可降低对螺线管磁场的要求。结果表明,加入磁块可以提高交错磁极波荡器的峰值场强,但峰值场强所能达到的极值提升不理想。本文对此现象的成因进行了分析,提出了调整磁块磁化方向的方案。结果表明,该方案可以减小螺线管和磁块所产生的横向磁场的峰位差,并且能够一定程度的缓解磁极过快饱和的问题,从而获得了更高的波荡器峰值场强。对于现有的磁块水平磁化的方案,分析了磁块处于反向磁场中的退磁情况,我们认为在考虑磁块退磁的情况下,波荡器的磁场可能会受到较大影响。本文还分析了波荡器的磁极和磁块的形状对磁场的影响,并提出了一系列提高交错磁极波荡器峰值场强的优化方案。本文还以交错磁极波荡器为例,说明了短周期高场强波荡器在自由电子激光小型化中的应用。对高场强纯永磁波荡器进行研究。常规的纯永磁波荡器由具有永磁特性的磁块周期排列而成。本文研究了一种新的纯永磁波荡器的磁极结构,它将磁极分割为对称的两部分,每个部分分别进行了倾斜磁化,使得磁极的磁力线更加汇聚于波荡器的中心轴线,提高波荡器的峰值场强。结果表明,该方案在所有间隙下都能够提升波荡器的峰值场强,在间隙较小时,波荡器场强被提升至与混合型波荡器相当的强度,在大间隙下,该波荡器的峰值场强强于混合型波荡器。本文分析了使用此方案所遇到的波荡器好场区变窄的问题,并提出了改善好场区的方案。通过改变波荡器磁极面形状或者磁块分割为三部分等方法,来达到保证好场区宽度的目的。结果表明,改变磁极面形状不仅能保证一定的好场区宽度,也能适当提高峰值场强。对波荡器的谐波特性进行了研究。对可变椭圆极化波荡器进行了研究。通常的可变极化波荡器如交叉型波荡器、Apple Ⅱ型波荡器和Delta波荡器等,都需要两组即四个波荡器永磁阵列,结构相对复杂,也增大了调节的难度。本文研究了一种新型的可变椭圆极化波荡器,波荡器的磁化方向在横向上倾斜磁化,每个波荡器周期仅有上下各两块磁块组成。通过调节上下两个磁块阵列的位移,即能够调节波荡器磁场的极化特性,产生水平和垂直方向的线极化、椭圆极化和圆极化等多种极化状态。通过程序模拟对波荡器参数的影响进行了分析。结果表明,通过调节波荡器上下部分的位移,该型波荡器能够获得各种极化状态。由于波荡器的磁块采用倾斜磁化,中心轴线上的峰值场强较低。模拟计算的结果还表明,波荡器磁场在垂直方向具有一定的好场区宽度,但在水平方向其好场区宽度较窄,有待进一步优化设计。对特殊的磁极和磁块结构的波荡器进行了研究。通过对波荡器的磁极和磁块结构以及磁化方向等进行调整,可以起到一定的提高波荡器场强的效果。本文研究了磁极横向分割的纯永磁波荡器、纵向倾斜磁化纯永磁波荡器以及纵向三角的纯永磁和混合型波荡器。结果表明,横向分割纯永磁波荡器在波荡器间隙周期比较小时,能够起到提升波荡器场强的作用。其横向好场区宽度变窄的问题也可以通过进一步的结构优化得到改善。纵向倾斜纯永磁波荡器的波荡器场强相对标准纯永磁波荡器,提升较小。纵向三角的纯永磁和混合型波荡器都不能提升波荡器的峰值场强,两者的场强相对标准纯永磁波荡器都较弱。