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缺陷位置关系、光子晶体的缺陷大小优化,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。论文首先根据Smith-Purcell自由电子激光理论,讨论了一种新型自由电子激光器的特性。特别是光子晶体的Smith-Purcell效应,利用粒子模拟的方法对有缺陷的光子晶体的Smith-Purcell辐射进行了比较深入的研究,对光子晶体分别与球面镜和平面镜构成三反射镜的自由电子激光器进行了一些研究。获得了一些有价值的研究成果。用粒子模拟的方式研究了20×7结构的光子晶体,讨论当缺陷出现在其表面、内部以及底部不同位置时对Smith-Purcell辐射的影响。研究表明:(a)当电子飞过光子晶体表面产生Smith-Purcell辐射时,同一层不同位置的相同大小缺陷对其影响呈现规律性变化,即随着缺陷位置远离电子发射点其频率输出逐渐增大,但均小于完整结构情况下的频率输出。(b)不同层相同位置相同大小缺陷对其影响呈不规则变化,并且其中某些位置的缺陷使得频率输出增大。(c)随着光子晶体表面缺陷的增大和加深,B Z等势线的密度逐渐变小,辐射的强度也逐渐变小。(d)随着光子晶体表面缺陷的增大和加深,输出频率都是在逐渐减小。可以得出结论,在该种参数配置下,辐射的频率输出是随着光子晶体表面缺陷的加大而减小。(e)随着光子晶体内部缺陷的增大和加深,输出频率逐渐增大,这与缺陷在表面时的情况截然相反。所以我们可以考虑在光子晶体内部造成较大的缺陷来获得更大的频率输出。用粒子模拟的方式研究了球面镜三反射镜在设置不同角度输出口的情况下的峰值功率、频率输出以及平均功率输出。结果表明,在我们所选定的参数条件下,设置角度输出口为45°的情况下所得到的峰值功率输出在不到20ns就达到了稳定,平均功率输出图形均匀,为所选定的三种角度的最好的输出。另外,还研究了将上述球面反射镜换成平面反射镜并且保持其他参数不改变的情况下同样设置三种角度输出口所得到的结果。结果表明,在这种情况下设置角度输出口为60°的情况下所得到的峰值功率在不到20ns就达到了稳定,平均功率输出图形均匀,为所选定的三种角度的最好的输出。将这两种较好的结果相比较,在峰值功率、频率输出以及平均功率输出三个方面都是平面镜三反射镜略胜一筹。