Smith-Purcell自由电子激光是自由电子激光的十分重要的一个分支。本篇论文就光子晶体的Smith-Purcell效应、自由电子与光子晶体的位置关系、光子晶体的结构优化,发射极发射的自由电子的发射参数等各个方面进行了比较细致、深入的研究,在建立的模型中模拟得出了一些具有很有参考价值的研究成果。该论文首先根据Smith-Purcell自由电子激光理论,了一种新型自由电子激光器的特性。特别讨论光栅和光子晶体的Smith-Purcell效应,主要对一维的光栅的Smith-Purcell效应的理论公式和Magic模拟数据相比较,验证相符合后进一步从类似光栅的光子晶体来模拟比较,然后考察光子晶体的Smith-Purcell效应。改变光子晶体的层数和排列,以及电子束的方向、数目等等来研究光子晶体的Smith-Purcell效应,从而找到较好的光子晶体结构模型和电子束等的相关参数,使得在THz波段有较强的辐射强度和较强的功率。并且还简单考察了光子晶体的带结构,以及带结构和光子晶体的Smith-Purcell的辐射峰值关系。利用二维的粒子模拟方法,采用了开放矩形腔内设置平板光栅的结构模拟出了Smith-Purcell辐射现象。利用单电子束团从光栅表面经过并在腔中设置多个不同角度的观察点,通过观察纵向磁场的等势图、腔内多点的谐振频率以及电子束团的动量空间分布图,来研究Smith-Purcell效应、Smith-Purcell辐射波和散波的区别。当单电子束团从光栅表面经过时会激励Smith-Purcell辐射,Smith-Purcell辐射频率随着角度的变化而变化,根据模拟结果得出的辐射频率与角度的变化曲线与根据Smith-Purcell辐射公式画出的理论曲线非常吻合。利用多电子束团在光栅表面经过,通过观察纵向磁场的等势图,来研究Smith-Purcell超辐射现象。通过对模拟结果进行分析和总结,Smith-Purcell超辐射也就是Smith-Purcell辐射的二次与三次谐波频率,它们的输出角度也与Smith-Purcell辐射公式一致。然后把光栅换成光子晶体,设计多种不同的光子晶体(单层、多层,矩形,三角形),研究光子晶体形状对Smith-Purcell辐射和散射波辐射频率的影响。与研究光栅相同的方法,同样观察到了Smith-Purcell辐射与散射,以及Smith-Purcell超辐射。对新型的开放式的光子晶体的Smith-Purcell自由电子激光器进行了建模,并利用二维的粒子模拟方法对具有代表性的圆柱形光子晶体进行研究。通过研究两种不同情况来考察,包括设置不同角度的观察窗口,单电子和多电子,以及光子晶体的矩形和三角形排列两种结构的比较,设计并模拟了各种不同情形的光子晶体,给出了各种Smith-Purcell辐射的输出结果并做出比较分析。通过对模拟结果进行研究分析可得,采用三角形排列的光子晶体光栅,多电子束发射可以得到相对比较大的功率输出;而且得到了THz频段的电磁波。经过模拟调试,设计出满意的Smith-Purcell辐射,得到较高功率的THz波段的电磁波波输出,对实际器件提供了有效的数据。