单晶金刚石是一种性能优异的晶体材料, 在先进科学领域具有重要的应用价值。在微波等离子体化学气相沉积(Microwave plasma chemical vapor deposition, MPCVD)单晶金刚石生长中, 如何提高晶体的生长速率一直是研究者们关注的重点问题之一, 而采用高能量密度的等离子体是提高单晶金刚石生长速率的有效手段。在本研究中, 首先通过磁流体动力学(Magnetohydrodynamic, MHD)模型仿真计算, 优化设计了特殊的等离子体聚集装置; 随后基于模拟结果进行生长实验, 采用光谱分析和等离子体成像对等离子体性状进行了研究, 制备了单晶金刚石生长样品; 并通过光学显微镜、拉曼光谱对生长样品进行测试。模拟结果显示, 聚集条件下的核心电场和电子密度是普通条件下的3倍; 生长实验结果显示, 在常规的微波功率(3500 W)、生长气压(18 kPa)下得到的高能量密度(793.7 W/cm³)的等离子体与模型计算结果吻合。高能量密度生长条件并不会对生长形貌产生较大影响, 但加入一定量氮气能够显著改变生长形貌, 并对晶体质量产生影响。采用这种方法, 成功制备了高速率(97.5 μm/h)单晶金刚石。不同于通过增大生长气压来获得高能量密度的途径, 本研究在常规的生长气压和微波功率下也可以生长高能量密度单晶金刚石。

介绍了以强激光驱动电容线圈靶的实验方法产生磁场的基本模型及其发展过程。对比了实验室中常用的三种磁场诊断方法，包含：B-dot、法拉第旋转以及质子背光，发现前两种方法在实验中仅可以获得距离靶较远处的有限个磁场值，通过结合模拟工具获得靶处的磁场值与测量点的值跨越几个数量级，容易产生误差；质子背光诊断可以在实验中获得全局磁场信息，能够较好地满足线圈靶磁场诊断的需求。由于线圈靶磁场强且可持续时间长，在时空分布上具有一定可控性，因此我们将其应用到了磁重联的研究中，并成功获得了重联出流等特征。另外线圈靶在带电粒子的约束和磁流体动力学研究等多方面也得到了应用。

为了实现高速度切割碳化硅（SiC）晶圆，采用自行研制的高能量皮秒脉冲光纤激光器进行了隐形切割实验。依据切片的截面形貌、表面热损伤区和边缘直线度，分析了皮秒激光器的切割结果，并探究了单脉冲能量和扫描速度对切片质量的影响。结果表明，当使用中心波长为1030 nm、重复频率为100 kHz、单脉冲能量为20 μJ、脉冲宽度约为100 ps的皮秒脉冲隐形切割360 μm厚度的SiC晶圆时，切片的质量能够满足实际应用要求，且激光的扫描速度可达400 mm/s，相应的切割速度为44.44 mm/s，高于其他相关报道。

高脉冲能量和窄脉冲宽度的激光放大器可以应用在诸多领域，例如激光加工、激光医疗美容和激光雷达。种子源激光器与行波放大结构相结合的主振荡功率放大（MOPA）技术，既能保证输出的脉冲激光相关特性（如脉宽和重复频率等）与种子源特性一致，又能实现激光输出能量的放大。因此MOPA技术成为激光放大器工程应用中的主要技术。本课题针对医疗美容对亚纳秒级大能量激光放大器的需求，研制了一台基于亚纳秒微片固体激光器的激光放大器。首先，采用亚纳秒被动调Q微片固体激光器作为种子源。种子源激光器在重复频率为10 Hz，脉冲宽度为487.3 ps时输出能量为190 μJ的1064 nm种子光。然后，利用自制的两个氙灯泵浦Nd: YAG模块作为主放大器对亚纳秒激光脉冲能量进行放大，对放大过程自激振荡产生的能量实现了抑制，有效地提高了放大过程中的能量转换效率。最终，得到了波长1064 nm和532 nm可切换输出，在重复频率为10 Hz时，获得了脉冲宽度496.4 ps，脉冲能量561 mJ@1064 nm，330 mJ@532 nm，能量稳定性2%且光斑均匀的亚纳秒激光输出。

针对以往大型太阳模拟器结构复杂、能量利用率低、均匀性较差等的不足，提出了高能量利用率太阳辐射模拟光学系统设计方法。基于真实氙灯光源的发光特性设计椭球聚光镜，通过添加球面反光镜，利用组合聚光系统提高能量利用率，依据光瞳匹配原则设计光学积分器，利用边缘消杂光法提高辐照均匀性。仿真分析可知：组合聚光系统比单个椭球聚光镜能量利用率提高21.2%，利用边缘消杂光法比边缘补偿法辐照均匀性提高4%。实验结果表明：工作距离20 m，辐照面直径Φ2 m时，最大辐照度为1 363.1 W·m^-2，辐照不均匀度为±4.5%，实现大面积、高能量利用率的太阳光辐射模拟，为航天领域太阳敏感器地面半物理仿真与测试提供有效手段。

激光聚变有望一劳永逸地解决人类的能源问题，因而受到国际社会的普遍重视，一直是国际研究的前沿热点。目前实现激光惯性约束聚变所面临的最大科学障碍（属于内禀困难）是对内爆过程中高能量密度流体力学不稳定性引起的非线性流动的有效控制，对其研究涵盖高能量密度物理、等离子体物理、流体力学、计算科学、强冲击物理和高压原子物理等多个学科，同时还要具备大规模多物理多尺度多介质流动的数值模拟能力和高功率大型激光装置等研究条件。作为新兴研究课题，高能量密度非线性流动问题充满了各种新奇的现象亟待探索。此外，流体力学不稳定性及其引起的湍流混合，还是天体物理现象（如星系碰撞与合并、恒星演化、原始恒星的形成以及超新星爆炸）中的重要过程，涉及天体物理的一些核心研究内容。本文首先综述了高能量密度非线性流动研究的现状和进展，梳理了其中的挑战和机遇。然后介绍了传统中心点火激光聚变内爆过程发生的主要流体力学不稳定性，在大量分解和综合物理研究基础上，凝练出了目前制约美国国家点火装置（NIF）内爆性能的主要流体不稳定性问题。接下来，总结了国外激光聚变流体不稳定性实验物理的研究概况。最后，展示了内爆物理团队近些年在激光聚变内爆流体不稳定性基础性问题方面的主要研究进展。该团队一直从事激光聚变内爆非线性流动研究与控制，以及聚变靶物理研究与设计，注重理论探索和实验研究相结合，近年来在内爆重要流体力学不稳定性问题的解析理论、数值模拟和激光装置实验设计与数据分析等方面取得了一系列重要成果，有力地推动了该研究方向在国内的发展。

基于脉冲功率技术的箍缩装置能够在cm空间尺度和百ns时间尺度产生极端的高温、高压、高密度以及强辐射环境。中物院流体物理研究所在已建成的10 MA级的大型箍缩装置上开展多种负载构型的高能量密度物理实验研究。利用Z箍缩动态黑腔创造出了惯性约束聚变研究所需的高温辐射场；研究了金属箔套筒和固体套筒的内爆动力学特性；利用中低Z材料内爆获得了可观的K壳层线辐射并用于X射线热-力学效应实验研究；磁驱动准等熵加载和冲击加载为材料动态特性研究提供了新的实验能力；采用环形二极管和反射三极管技术的轫致辐射源获得了高剂量（率）的X射线和γ射线；利用磁驱动的径向金属箔模拟了天体物理中恒星射流的形成及其辐射的产生。此外，还介绍了利用反场构型磁化靶聚变装置开展的预加热磁化等离子体靶形成等实验结果。