飞秒激光成丝表征是光丝调控及应用的基础，成丝过程中光、声和热信号之间丰富的能量转换效应为利用声学和光学等方法探索和诊断光丝打开了大门。由于成丝过程中声波和荧光辐射微观物理机制的区别，两种信号与光丝物理参数之间的定量关系存在差异，然而目前仍缺乏两种方法的准确性对比研究。基于此，实验上通过研究脉冲能量对光丝空间分布的影响，系统对比了声学及荧光法两种光丝表征方法的异同。结果表明：两种方法都可以实现对光丝空间特征的表征，相比于荧光法，声学法对光丝起始和结束位置表现出更高的灵敏度，光丝内自由电子动能对光场强度的依赖性是造成差异的主要原因。

针对偏远地区及特殊场景下的低功耗无线传感节点电源维护不易的问题, 该文对一种基于流激振荡现象的流体动能收集技术进行了研究, 结合压电技术可实现流体动能转换至电能的过程。通过对流激振荡现象进行数值模拟及实验研究, 分析了空腔结构中的流场及声场分布特性, 探究了流体速度对声振荡频率及幅值的影响规律。利用COMSOL软件对声电转换过程进行仿真, 实现了完整的流体动能-电能的转换过程。研究结果表明, 在一定的速度条件下存在频率稳定的声振荡区间, 可驱动压电换能装置输出频率稳定的电压, 当气体流速为30.5 m/s时(相当于高压输气管道的流速范围), 声场压力振幅可达6.12 kPa, 对应的输出开路电压为2.62 V。当外接15 kΩ电阻时, 最高输出功率可达0.29 mW。

激光雷达可以快速实现对大气风场的非侵入测量, 获得精确三维风矢量。为验证测风激光雷达观测湍流的可行性并获得湍流观测特征, 利用相干多普勒激光雷达在深圳杨梅坑进行湍流观测实验。依据 Reynolds 分解原理, 应用小波分解获取湍流脉动并分析大气的湍流运动特征。结果表明: 观测地日平均湍流强度呈现“单峰单谷”结构, 与实验期间气温的变化呈现较高相关性; 湍流动能引起垂直方向上的输送主要集中在日间 12:00 后, 与湍流耗散率的相关系数达 0.77; 湍流功率谱密度在惯性副区内基本符合 Kolmogorov“-5/3” 定律。研究结果验证了测风激光雷达可以较为精确地估算湍流参数。

飞秒激光精微修正技术是采用具有高能量密度的超短脉宽激光对面齿轮齿面进行精微加工的一种新型加工方法。考虑到齿轮材料成分间互温感应，建立了飞秒激光烧蚀面齿轮材料动能量热模型，仿真分析了飞秒激光修正面齿轮齿面温度场的变化规律，发现随着激光能量密度的增大，电子温度急剧升高，电子温度远大于晶格温度，烧蚀凹坑的深度和直径均增大。实验中观测到烧蚀凹坑的齿面形貌，证实了动能量热模型的正确性，为飞秒激光精微烧蚀面齿轮的研究提供理论指导。

采用非线性理论探索了同轴多注相对论速调管放大器(CMRKA)的束波互作用特性, 并与PIC结果进行了验证分析。首先推导了实心电子束的几何因子, 然后分别给出了归一化调制电流和电子束动能的积分微分方程, 并给出了多注速调管放大器的同轴输入腔间隙耦合系数的公式。对于束压为600 kV、束流为5 kA的16注电子束, 当输入腔间隙电压分别为4.6, 32.7, 189 kV时, 采用一维非线性理论和三维粒子模拟程序分别计算了基波电流调制系数和距离的关系, 理论和模拟结果比较一致。当间隙电压为4.6 kV时, 理论计算了多注电子数的个数分别为8,12,16 以及实心电子束的半径与单注电子束通道半径比6/15,8/15,10/15(通道半径不变)时基波电流调制系数随传输距离的变化。结果表明, 随着多注电子数的个数和电子束半径的增加, 基波电流调制系数有逐渐变大的趋势。此外还计算了当间隙电压为20 kV时, 归一化电流和归一化电子束动能随时间的变化和归一化常数N(z)与调制电流的n次谐波的电流调制系数随传输距离的变化。

分别给出了归一化调制电流和电子束动能的积分微分方程, 并提出了完整的数值计算方法。对于束压束流分别为511 kV, 5 kA和800 kV, 8 kA两组典型参数, 采用非线性理论和二维粒子模拟程序分别计算了电流调制系数和距离的关系。在线性增长区以及当调制电流达到最大值并开始缓慢下降后, 理论与模拟都符合得很好。此外还计算了电子束动能和调制电流的n次谐波的模式强度随归一化距离的变化情况: 一次和二次谐波强度较大, 八次以上谐波幅度较小而可以忽略。

考虑用流体抛光法加工大尺度工件存在效率低下问题, 本文提出了一种气-液-固三相磨粒流抛光方法。该方法在约束流场中引入微纳米气泡, 利用气泡在溃灭时释放的能量加速驱动磨粒运动, 从而有效提升抛光效率。实验显示: 在加工过程中, 离心泵的发热会导致流体黏度下降, 进而影响工件近壁面的湍动能和动压力的大小及分布, 而加工工件近壁面的湍动能和动压力会对表面纹理的均匀性和材料的去除效率有重要影响。针对上述实验结果, 文中基于对磨粒流抛光机理的研究, 提出一种通过改变入口流速来补偿温升带来的湍动能和动压力变化的方法, 实验求得了抛光流体温度从20 ℃到60 ℃之间的9个均等点对应的最优入口流速值。实验表明, 相对未加入气泡时, 该抛光方法的加工效率得到提高, 而调速补偿明显提升了工件表面加工质量。

理论分析了收集极中运动电子的失能机制和电子能量对电子束能量沉积的影响,用蒙特卡罗方法计算了不同能量下入射电子的能量沉积分布,分析了电子能量对电子束在收集极中能量沉积的影响,并据此提出了提高收集极耐电子束轰击能力的两种途径。结果表明：激发和电离是收集极中入射电子的主要失能机制；电子的能量越高,在材料中的穿透能力越强,收集极中被收集电子束的最大能量沉积密度越低。综合考虑束流密度分布对能量沉积的影响,可通过两种途径来提高收集极耐电子束轰击的能力：一是通过结构设计增大电子束的收集面积,减小收集极上被收集电子束的束流密度；二是设计高阻抗器件,增大被收集电子束的电子能量,减小收集极上被收集电子束的束流密度。

给出了相对论速调管放大器中归一化调制电流和电子束动能的积分微分方程，基于MATLAB平台编程并采用递推法、中心差分法、梯形积分法等数值计算方法计算了归一化束电流和电子束动能随归一化距离的关系，以及反映电荷守恒的归一化因子。最后计算了调制电流的n次谐波的模式强度随归一化距离的变化。

采用放电电流为100~300 A、持续时间为13 μs的单脉冲电源，设计了两种同轴电极结构作为放电阳极，分别为筒状电极、喷嘴状电极。利用MAXWELL 3D电场仿真软件对两种电极结构下的电场分布进行了仿真分析，并采用探针法对放电生成的等离子体的参数进行了测量，分析讨论了同轴电极结构对真空放电等离子体生成特性的影响。选取喷嘴状电极结构作为阳极，分别测量了采用铅、铝、铜三种材质的阴极时生成的等离子体的扩散速度及能量。实验与仿真结果表明：当阳极为喷嘴状电极时阴极尖端的电场强度较大，测得放电电流较大，击穿电压较低，等离子体密度也较大；采用铝材质阴极时生成的等离子体扩散速度最快，采用铅材质阴极时生成的等离子体的离子动能最大。