康普頓型自由電子激光中N光子散射的理論研究自由電子激光自1977年誕生以來,在理論和實驗上都得到了飛速的發展。光場與自由電子的相互作用是自由電子激光產生的核心問題。隨著強激光技術的發展,超強場等極端條件得以實現,在這些極端條件下,非線性現象明顯起來。多光子與自由電子的散射就是一種非線性現象,它是不同于通常的Compton散射的一種光場與自由電子相互作用的新機制,作用過程吸收多個光子,發射一個新光子。本論文主要從兩種作用模型來研究康普頓型自由電子激光中的N光子散射問題:一是在光場強度還不是很強時,不考慮光場強度的n光子集團模型,這一模型中n個光子全部被吸收,研究的方法是采用標準微擾論方法;二是計及光場強度的強場非線性作用,這一作用過程從光場中吸收部分光子,研究的方法是將光場看做外場的半經典方法。本論文從以上兩個模型出發,研究N光子散射的微分散射截面特性和能量轉化特性,采用Matlab編程,進行數值分析。全文內容共分五章:第一章是緒論,介紹自由電子激光的發展歷程、當前面臨的課題以及應用前景,概述多光子現象的發展及研究現狀,引出康普頓型自由電子激光中的N光子散射問題。第二章采用n光子集團模型,探討n光子集團Compton散射的散射光頻率、電子能量變化及微分散射截面特性。利用標準微擾理論推導出電子靜止參考系下n光子集團Compton散射的微分散射截面表達式,并得出雙光子集團Compton散射的微分散射截面與散射角的具體關系。利用相對論變換,對實驗室參考系下的雙光子集團Compton散射的微分散射截面和電子能量的平均變化值進行數值分析。結果表明:一般來說,n光子集團Compton散射的散射光頻率、電子能量變化及微分散射截面都與方位角有關;n光子集團Compton散射的微分散射截面與光子數密度的(n-1)次方成正比;對于高能電子的雙光子集團Compton散射,給定電子能量時,電子運動方向與光子入射方向的初始夾角存在一個最佳值使得在電子初始運動方向很小弧度的錐角范圍內得到最大峰值強度的散射光,并且存在一個臨界值,如果初始夾角大于這個臨界值則電子的能量轉化成光能,如果初始夾角小于這個臨界值則光場的能量轉化為電子的能量。第三章介紹自由電子在外場中運動的量子電動力學理論,并介紹處理電子在外場中發射光子問題的半經典方法。第四章采用半經典方法,分析圓極化強平面電磁波場中的n光子非線性Compton散射的電子能量變化及微分散射截面特性。數值分析低頻極限下的電子能量變化及微分散射截面的角分布情況,以及與光場強度、電子能量的關系,分析背散射(電子與光子對撞的散射)的頻譜分布。結果表明:利用n光子非線性Compton散射產生短波光子,必須要選擇適當的光場強度;對于給定電子能量、光場強度和吸收光子數的非線性Compton散射,也存在一個臨界值,如果初始夾角大于這個臨界值則電子的能量轉化成光能,如果初始夾角小于這個臨界值則光場的能量轉化為電子的能量。背散射譜的分布取決于散射前電子能量和光場強度的對比情況;對于雙光子情況,當光場的歸一化強度遠小于電子能量時得出的臨界值與第二章的結果一樣,并且當光強提高時,臨界值變