采用三维数值模拟方法研究了基于带状束的史密斯-帕塞尔自由电子激光（S-P FEL）的辐射输出特性。当一束相对论带状束紧贴着矩形光栅表面飞行时，可以激励起非相干的史密斯-帕塞尔（S-P）辐射，而全反馈谐振腔可以将各个方位角的S-P辐射反射回带状束，同时进行速度调制，使电子注发生群聚，进而获得相干的S-P辐射。通过数值模拟发现，带状束可以提高S-P FEL的功率和功率谱密度；随着带状束宽高比的增大，电子束的速度调制和群聚更为明显，S-P FEL的功率和功率谱密度也越大。

提出了一种基于史密斯-帕赛尔效应的太赫兹振荡器，该器件由电子枪、调制腔、输出腔、收集极等部分构成。在器件调制腔中,电子注的速度调制通过史密斯-帕赛尔效应完成的,当群聚电子注通过输出腔时,群聚电子注会在输出腔的间隙处激励起高频电场,该高频电场会使电子注的一部分动能转换为高频能量,并完成太赫兹振荡.模拟发现：当金属光栅的空间周期为0.6 mm、电子注能量为100 keV时,利用史密斯-帕赛尔效应调制的太赫兹振荡器可以输出频率为349.017 GHz和346.324 GHz、功率谱密度接近4 kW/GHz、最大输出峰值功率超过2 kW的太赫兹波.

研究了电介质在史密斯-帕塞尔自由电子激光中的作用。将电介质加载于电子注与光栅之间，所加电介质为电容率为4 的细玻璃管，电子注在玻璃管内的真空腔中运动，玻璃管外是金属光栅。对加载电介质的史密斯-帕塞尔自由电子激光和不加载电介质的史密斯-帕塞尔自由电子激光分别进行了3 维数值模拟，结果发现：如果在电子注与光栅间加载电介质，可以成功模拟出363.37 GHz 的相干太赫兹波，如果在电子注与光栅间不加载电介质，只能模拟出191.2 GHz 的慢波辐射场。这说明加载电介质可以提高史密斯-帕塞尔受激辐射的增益，强化史密斯-帕塞尔辐射对电子注的调制，使电子有效群聚。

新型史密斯-帕塞尔互作用结构是一个同轴型系统, 它包括倒置的曲面镜和柱状光栅, 并且光栅的截面可以是任意形状。用粒子模拟软件MAGIC对新结构进行模拟分析和优化, 由于新结构采用倒置曲面镜, 改变了光栅位置, 大大增加了环状电子注半径, 在同样电子注密度和厚度情况下, 可以获得比改进前结构高几倍的电流, 且辐射功率可提高1个数量级。并给出了新结构及改进前两种互作用结构在3 mm甚至更短波段的粒子模拟分析和计算结果, 其输出功率达到数百ＭＷ以上。

电子束沿多层膜表面运动时会产生自发辐射。分析自发辐射的精确波长公式、自发辐射中电子束品质的变化规律和电子自发辐射的功率后得出:电子束沿金属-介质多层膜表面运动时产生自发辐射,电子束内各种速度的电子数都按指数规律变化,实际电子束自发辐射的总辐射功率与金属-介质多层膜的空间周期成反比。

提出采用中等能量的相对论环状电子注激励轴对称三曲面反射镜、绕射光栅系统,产生毫米波、远红外波段辐射的新型准光学可调辐射源实验方案,这是一种基于史密斯-帕塞尔效应的自由电子激光。由于引入新型准光学谐振腔系统,可以改变能量输出方向的角度,从原理上讲,可制造一系列模型,产生可调频率的短毫米波、远红外波段相干辐射。采用环状电子注比带状电子注稳定性高,便于成型和聚焦;采用新腔体后增长了电子注与高频场的互作用范围;新型准光腔具有较小的绕射损耗。新方案的这些特点,进一步提高器件的输出功率,改善了高频特性。介绍这种新辐射源在3 mm波段的粒子模拟计算初步结果,其输出功率达数百千瓦以上;同时给出准光学谐振腔高频系统的模拟计算和冷测实验的典型曲线。

介绍一种新型的Smith-PurcellFEL实验,实验中利用中等能量级的相对论电子束激励,由衍射光栅和三反射镜组成的新型准光学系统,可以产生可调短毫米波、远红外波段的辐射.主要实验参数为:电子注能量为400～500keV,电压脉冲宽度70ns,同步脉冲磁场强度1.2T,成功地检测到3mm波段的毫米波信号,其峰值功率达到数十千瓦.

介绍一种新型毫米波准光学可调辐射源,它采用由面对称三反射镜准光学谐振腔和绕射光栅组成高频互作用系统,利用中等能量级的相对论带状电子注激励,产生频率可调的宽带毫米波、远红外波段的辐射.该方案的机理性实验已获得成功,其主要实验参数：电子注的能量为400～500kV,电压脉冲宽度70ns,同步脉冲磁场强度1.2T;磁场脉冲宽度10ms,带状电子注尺寸10nm×1nm;通过热测实验,成功地检测到3mm波段的高频信号,其峰值功率达到数十千瓦量级.

基于电子与光栅表面电势场相互作用的模型，用经典的单粒子理论研究了Smith-Purcell效应的辐射过程，得到了自发辐射谱。讨论了自发辐射与受激辐射之关系，即Madey定理在该类激光器中的对应形式。结果对于高能电子束同样适用。

利用微扰展开法导出了变参数Smith-Purcell型自由电子激光小信号增益表达式，其增益谱函数因子在形式上与变参数Wiggler情况的表达式相同。在此基础上讨论了光栅常数均匀变化时的小信号增益。结果表明:当电子入射速度低于系统初始谐振速度的某一范围时，有较高的小信号增益；在保证一定的饱和抽取效率情况下，为了提高小信号增益，应适当地选取光栅的空间频率变化率。