本论文的工作主要围绕基于储存环的FEL展开，并重点探讨了FEL光腔腔镜损伤和FEL增益及其演化过程等关键问题。论文的全部实验工作均在Duke大学FEL装置上开展。　　 论文系统地介绍了FEL的基本原理。从经典电动力学出发，系统地分析了扭摆器自发辐射谱、激光与电子的相互作用以及FEL小信号增益等基本问题，并推导了理想情况下的Madey定理。　　 论文系统地研究了扭摆器自发辐射的功率分布，并提出了采用螺旋型扭摆器及腔内光阑来限制高次谐波辐射对腔镜损伤的方案，完成了相关的分析。据此建成的光阑系统有效的降低FEL光腔腔镜上辐射负载，它使得Duke FEL的运行更加稳定，并使更短波长、更高功率的FEL运行成为可能。　　 论文详细地推导了单电子及电子束团在OK中的自发辐射光谱表达式，考察了电子束散角、横向束斑尺寸及能散度对OK自发辐射谱的影响，并通过分析指出在储存环FEL，中，由于电子束具有极低的发射度，其散角及横向束斑尺寸对自发辐射谱的影响完全可以忽略。　　 论文讨论了OK结构对FEL增益的改善情况，并首次从实验上验证了OK FEL中的Madey定理。实验结果表明，Madey定理对于OK FEL是适用的。在Madey定理的验证实验中，首次发现了FEL饱和时的光谱谱峰相对于起始阶段增益曲线峰值波长的红移问题。在实验研究的基础上，论文对储存环FEL中的Madey定理进行了扩展。利用扩展后的Madey定理，论文分析了上述红移问题以及FEL饱和时的电子束能散度和激光功率。理论计算及实验结果的高度吻合表明扩展后的Madey定理可用于储存环FEL从起始阶段到饱和的整个增益演化过程的描述。　　 论文研究期间，发展并完善了电子束及光束诊断系统，特别是快速的FEL光谱测量系统、高分辨率的电子束能散度在线测量系统以及高精度的FEL增益四级测量系统。这套测量系统为FEL的深入研究创造了良好的条件。论文对这套测量系统进行了详细的介绍。