针对相机式光束质量分析仪测量光束的结果不一致问题，分析了相关参数对测量误差的影响。基于高斯光束模型，并添加与实际对应的噪声，根据ISO 11146标准计算了光斑直径。结合实验测试时的实际操作过程，提炼出光强饱和度、积分面积比、信噪比和光斑尺寸4个关键参数。不仅阐明了相机参数对测量误差影响的关键趋势，还分析了各个参数之间的关联影响，最终对如何选择相机的像元、像素、动态范围、暗噪声，以及如何设置积分时间、计算区域等提出了更明确的要求。

为了获得高功率高光束质量激光输出, 设计并制备了一种780nm波段5发光单元列阵器件, 其采用10μm宽窄条形波导, 各发光单元中心间距为100μm, 填充因子仅为10%。在准连续注入电流由1.2A增加到2.5A条件下, 该器件的输出光束侧向光学参量积由0.666mm·mrad增加至0.782mm·mrad。注入电流为2.5A时, 该器件实现了单边准连续506mW的高光束质量激光输出。

根据单管半导体激光器出射光束特点，分别采用1/e2、环围能量以及二阶矩定义描述光束束宽，在高斯光束近似下采用双曲线拟合法测算得到不同方法定义束宽时的光参数积(BPP)，并与芯径为105 μm、数值孔径为0.2 的光纤所能接受的最大BPP 进行比较。对该单管半导体激光器进行光纤耦合，实验中单管半导体激光边模数量随注入电流的增大逐渐增多，光束质量的恶化导致其光纤耦合效率逐渐降低，当注入电流由1 A 增大到13 A 时，光纤耦合效率由96.5%降为88.8%。研究表明以二阶矩定义束宽半径测算光参数积BPP 去描述与评价单管半导体激光器光束质量特征是最为准确合理的。

为了更好的测试控制方法和开发上层控制软件,本文提出了一种基于ELEGANT和SDDS Toolkit的虚拟加速器环境。在这个虚拟环境下,可以将底层物理模拟软件与上层控制软件通过EPICS控制通道及Matlab脚本进行数据分析及处理。本文描述了在该虚拟加速器环境中束流参数测量和轨道控制等软件的开发和测试,并探讨了该虚拟加速器的设计理念和未来可能的应用。

对激光光束参数进行测量时，为了解决聚焦光学系统对不同波长激光焦平面位置不同的问题，简化测量步骤，降低测量误差，设计了宽波段超消色差聚焦光学系统。依据波色差理论，推导了超消色差设计的初始结构求解方程组。应用光学设计软件ZEMAX设计了工作波段为350~1100 nm的超消色差光学系统，焦距为250 mm，入瞳直径为25 mm。给出了设计结果的纵向像差曲线和焦移曲线，经分析表明，采用该方法设计的光学系统，在0.707孔径处不同波长光线的球差曲线基本相交于一点，实现了超消色差；工作波段内的焦移仅为38.2 μm，基本固定了焦平面的位置，满足了紫外至近红外波段激光光束参数的测量要求。

为得到质量均衡的大功率激光束, 分别以条形和面阵半导体激光器为模型, 基于平行玻璃板对光束的偏移作用, 对准直后激光束进行分割和重排, 并在Zemax软件中进行了仿真。条形半导体激光器初始发散角为40°和10°, 整形前已准直光束快慢轴方向的光参数积分别为0.455 2 mm·mrad和20.484 mm·mrad, 光束质量相差较大, 整形后快慢轴方向光参数积分别为2.731 2 mm·mrad和3.414 0 mm·mrad, 实现了快慢轴方向光束质量均衡。利用平行玻璃板消除面阵半导体激光器中存在的“发光死区”, 整形后快慢轴方向光参数积分别为7.002 mm·mrad和10.242 mm·mrad, 整形系统耦合效率为90.13%。

电子束束参数是衡量各种加速器产生的电子束品质的重要参数,其测量技术的研究及测量工作是极其重要的一个方面。由于加速器研制水平的提高,尤其在调试阶段对束参数的测量要求也变得更高,体现在高的时间分辨能力和更好的空间分辨率、数据更高的动态范围及更加直观的可视性。针对束参数中最基本的参数如束斑测量、发射度测量、能量测量等技术,利用已研制的高性能设备,针对强流脉冲电子束的特点,基于多种主要原理研制了比较完整的、时间分辨能力高达2 ns、高灵敏度、高动态数据范围的电子束束参数光学测量及诊断系统,并编制了一套处理程序,达到了现场实时的数据处理水平,具有直观诊断的特点,为解决调试工作中诸多的问题提供翔实而准确的数据,成功地应用于多个加速器的调试。

设计了一种离轴双反馈外腔能够有效地改善激光二极管阵列的线宽和光束质量。闪耀光栅和高反镜之间形成了一个共振腔。通过调整光栅和高反镜之间的倾角可以选定一个空间模在共振腔中放大。将一个半波片插入外腔中的光栅反馈支路, 来控制反馈光的数量, 激光从光栅反馈支路输出。运用这项技术, 在工作电流16 A, 可以把激光二极管阵列的输出线宽压缩到0.15 nm, 光束束宽积减小到283 mm·mrad。由于光栅的锁定作用, 中心波长几乎不随温度的变化而改变。在工作电流17 A时, 输出激光的功率为2.44 W,斜率效率为0.5 W/A。

报道了激光二极管(LD)侧面抽运的Nd:YAG薄片激光器。对影响侧面抽运薄片激光器性能的主要因素, 即圆薄片增益介质内晶体光分布和沿径向的温度分布进行了理论分析和实验。实现了光-光转换效率为33.5%, 峰值功率为230 W, 光束参数乘积为21.6 mm·mrad的激光输出。实验结果表明, 侧面抽运在薄片Nd:YAG晶体内可实现对称均匀的分布, 沿径向的温度差大大减小; Nd:YAG/YAG薄片晶体的复合可满足侧面抽运的要求。这些技术和方法可应用于更高功率的侧面抽运薄片激光器。

大功率量子阱半导体激光器输出为线偏振光，而格兰-泰勒棱镜具有双折射性质，能将两种偏振方向相互垂直的光区分开。如果将格兰-泰勒棱镜反方向使用，则能将两个偏振方向的光耦合输出。使用两个中心波长808 nm，输出功率600 W的半导体激光堆栈，一个堆栈的输出光经过1/2波片后偏振方向旋转90°，另一个堆栈偏振方向保持不变，经过格兰-泰勒棱镜做偏振耦合后合成一束。分别经过快慢轴准直、聚焦和慢轴消球差后输出，其中聚焦镜f=100 mm。在工作电流130 A时，电光转换效率约为43%。使用UFF100激光光束质量诊断仪测量，焦斑呈矩形分布，焦斑面积为0.547 mm×5.0 mm，快轴光参积Kf=26.1 mm·mrad，最大输出功率1 kW，激光器系统工作稳定。