自由电子激光器（简称FEL），在军事和民用方面有着巨大的应用潜力，许多国家的科研机构都在从事这方面的研究，而且已经取得了重要的成果。本文深入地研究了FEL放大器的特性。用三维非线性理论，导出了以同轴波导、同轴混合磁铁摇摆器为模型的FEL三维自洽非线性方程组。无论工作在高增益康普顿区还是拉曼区，这套理论都适用。根据导出的方程组，独立开发了计算机模拟程序。该程序考虑了电子注发射度效应、 空间电荷效应、电子注直流场效应、互作用区入口处的绝热压缩过程以及变参数摇摆器等情况，并对编制的程序进行了可靠性论证，论证表明：该程序是可靠的。这项工作将会为国内进一步研究和发展FEL提供重要的辅助设计手段，有一定的实用价值。利用编制的数值模拟程序，主要对工作在15GHz的同轴波导FEL放大器的特性做了比较详细的数值研究，取得了一些很有价值的成果，提出了一套基于同轴波导摇摆器的FEL放大器方案。研究发现：用相对低的输入电压（205kV左右），并且在当前工艺技术经过努力能够达到的范围内，用这种结构做成的FEL放大器，在平均功率、带宽和增益等方面都能满意的效果。在同等条件下，电子注发射度对输出功率和效率产生一定的影响；使用变参数摇摆器可以提高放大器的工作效率和输出功率。设计了同轴波导FEL放大器的输入耦合器，给出了该输入装置的相关参量。用HFSS高频软件进行了仿真。得到了该耦合装置的相关参数。本文通过对同轴波导FEL放大器的研究，取得了一系列具有应用价值的研究成果：1)独立开发了同轴波导FEL放大器计算机模拟软件，本软件可在微机上运行，具有操作简单、使用方便等特点，能够对相关器件进行辅助设计。2)对15GHz同轴波导FEL放大器作了比较详细的数值分析。研究了电子注发射度、空间电荷波和电子注直流场的影响，还研究了变参数摇摆器的作用，提出了波段同轴波导FEL放大器方案。<WP=5>3)设计了该放大器的输入耦合装置，并给出了主要参数及性能指标。并用HFSS软件进行了仿真，证明了该装置在工程上是可行的。