自由电子激光(FEL)是一种新型的相干光源,它的高亮度、波长连续可调、超短脉冲和优异的光束品质等特性吸引了各国科学家和军工部门的兴趣,各种运行模式的FEL在许多国家建成或正在筹建.中国2002年底启动了973项目"基于超导加速器的SASE自由电子激光的关键物理和技术问题的研究",标志着中国发展高增益FEL计划的正式启动.该论文是紧紧围绕973项目的研究内容展开的,旨在为北京大学红外SASEFEL实验平台的建造提供物理设计和工程设计的基础.根据北京大学超导加速器装置可以提供的束流,该论文开展了高增益SASE FEL的物理研究和北京大学红外波段SASE FEL的优化设计.首先利用流体模型分析了1-D和3-D下的物理过程和解析解,然后利用3-D拟合公式和数值模拟方法,对红外波段扭摆器的外聚焦结构方案进行了分析,提出了采用FOFO结构的扭摆器外聚焦模式,解决了FODO结构在红外波段对聚焦磁铁位置精度要求相对较高的困难,模拟证明这种结构是可行的.根据确定的扭摆器参数,论文开展了SASE FEL物理演化过程的研究,分析了电子束相空间、辐射脉冲、辐射频谱等的演化过程,发现该装置的红外SASE FEL在横向和纵向都呈现完全相干性,但其辐射强度的起伏较大.论文对饱和长度和饱和功率做了统计分析.为了给研制工作提供主要参数的容差,论文对北京大学SASE FEL实验装置的主要参数进行了评估,给出了电流、发射度、能散、束团长度等的可接受范围.对实验装置的关键误差进行了研究,详细讨论了扭摆器设计的误差要求.所得结果为该项目SASE FEL的实验开展提供了指导.该文的分析结果对该SASE FEL实验平台的研制提供了可行的操作范围.红外波段SASE FEL的扭摆器聚焦结构可以借鉴的非常少,该文通过研究提出采用FOFO结构,具有准直要求相对较低等优点,经模拟计算证实是可行的.论文还对非线性谐波的产生进行了初步研究,研究了影响非线性谐波功率的关键因素,它对探索超短波长FEL具有重要的意义.该文的开展为该973项目的物理设计和实验研究打下了基础,为其它波段SASE FEL的开展提供了借鉴和参考.