以平顶高斯光束通过多个硬边光阑ABCD复杂光学系统的传输为例,分别用矩阵表示法和复高斯函数展开法推导出其对应的解析公式,并通过大量数值计算对两种方法进行比较.研究表明,矩阵表示法其解析公式形式简洁、规范,它在菲涅尔和夫琅禾费衍射区都很精确,但仅适用于圆对称光束和光学系统.复高斯函数展开法其解析公式形式较为复杂,它在非常靠近光阑的菲涅尔衍射区的误差较大,但是它可适用于圆对称和非圆对称光束和光学系统.两种方法与直接对Collins公式积分比较都能节约大量机时.

利用修改的一维非定态程序,基于美国杰弗逊实验室(JLab)Demo自由电子激光装置的参数,对高功率自由电子激光振荡器稳定波长的反馈系统进行了数值模拟.电子微脉冲为高斯型分布,每个纵向网格中取16个模拟宏电子,不考虑电子束的能散度.结果表明:当无反馈时,腔内光功率和波长都可以在一定范围内稳定;加入反馈后,由于电子束能量的变化所引起的等效失谐对整个系统有着重要的影响,甚至可能导致电子和光场失去相互作用,从而使得装置不能工作.提出应该在光场达到饱和以后再启动稳定波长反馈系统.模拟结果证明,该实施方案是合理有效的,可以避免其对FEL运行的严重影响.

克服大气湍流对近地大气光通信质量影响,可归结为在接收端的照明均匀化,而采用部分相干光照明则是提高照明均匀性的一种有效途径.提出利用多模光纤的模间色散产生一个具有部分相干光特性的合成光源的方法,分析了该光源的产生原理,表明光束发散角由光纤芯径和发射透镜的焦距决定,由模间色散产生的光程差越大,该合成光源的空间相干性越差.仿真结果表明形成1 mrad远场发散角的合成光源是可行的,因而适于在空间光通信中应用.

从Li提出的平顶光束模型和Collins公式出发,推导出平顶光束通过近轴ABCD光学系统K参数的解析传输公式.平顶光束的K参数与光束阶数M、瑞利长度zR和传输矩阵元A/B有关.另一方面,基于强度矩的传输方程,通过繁冗的积分,也推导出K参数的解析传输方程.大量数值计算结果证明二者所得结果相同.对平顶光束K参数的传输特性用数值计算例作了说明.

从理论上研究部分相干光束经透镜聚焦的三维光强分布.研究结果表明,在几何焦点附近的光强分布不仅依赖于入射部分相干光束的光强分布,而且还依赖于入射光束的空间相干度.基于这一点,提出了一种控制部分相干光束的空间相干度,在几何焦点附近获得了类似椭球光笼形状的光强分布的新方法.通过控制入射部分相干光的空间相干度,来改变聚焦在几何焦点附近的三维光强分布,从而获得希望得到的光强分布.

与通常的双包层光纤激光器不同,光纤前端面与二色镜拉开一个小的距离,构成了Fabry-Perot滤波器.理论分析了Fabry-Perot滤波器效应.通过调节光纤前端面与二色镜之间的距离,实现了掺Yb³⁺双包层光纤激光器的窄线宽激光输出,中心波长为1 082.79 nm,谱线宽度为0.14 nm,斜率效率为20%,最大输出功率为0.62 W.

介绍了正交子空间投影方法,这种方法可将背景信号从接收到的混合光谱中消除,在此基础上运用匹配跟踪算法自动地进行优化波段的选择,达到选择最佳波段进行目标探测的目的.将其运用到大气外目标探测的问题,得到了较好的探测波段的结果,说明此方法选择优化波段进行目标探测是有效的.

减小光栅表面的反射率以得到更高的衍射效率是目前光栅设计与制造中需要解决的重要问题之一.提出利用偏振光沿布儒斯特角入射时具有的特性来实现降低光栅表面反射率的方案,介绍了这种方案的物理模型,并利用严格耦合波分析法进行了模拟计算.计算结果显示,对入射光为TM偏振,波长0.35 μm,当光栅周期较长为2.80 μm时,以布儒斯特角入射的光波,它的表面反射被大大抑制;当光栅周期较短为0.21 μm时也有类似的结论,并且透射光的一级衍射效率极大值出现在刻槽深度为3.50 μm处附近,衍射效率大于95%.

采用同时测量Rayleigh散射和Mie散射混合信号的多普勒频移的单边缘技术,探测低空中(<12 km)的大气风速.由于大气后向散射比R_b值的变化,导致测量结果有很大的误差.详细分析了R_b值的变化对风速测量灵敏度及测量结果的影响,并做出了在不同R_b值情况下的风速测量校正曲线.结果表明:随着R_b值的增大,风速测量灵敏度有升高的趋势;随着R_b值偏差的增大,测量的风速误差有增大的趋势;同时,在相同的Rb值偏差情况下,随着径向风速的增大,测量的风速误差也有相应的增大.

惯性约束聚变系统中光学元件的波前梯度均方根是一个关键参数,对其数值计算涉及到的空域处理、频域滤波及梯度算法等关键技术进行了理论分析.分别采用最简单差分算法、中心差分算法、最小二乘拟合算法、 "五点法"对实测波前数据进行了梯度均方根值计算.结果表明波前数据的空域处理采用Quad-flip技术较为合适;频域滤波器的选用上应着重考虑滤波的有效性.对于原始波前,4种算法计算梯度均方根值的差别小于0.01 λ/cm(λ=632.8 nm);而对于截止频率为0.0303 线/mm的低通滤波后波前,其差别小于0.001 λ/cm,该差别对计算结果的影响可以忽略.

在对储能网络的快速恒流充电和氙灯的预燃状态下,通过控制火花隙触发开关上的电压和重复频率,实现"热容"模式下运行的氙灯泵浦钕玻璃激光器的激光输出.初步实验指标达到:重复频率4 Hz,40 J/脉冲,出光25 s,输出能量4 kJ,工作间隙10 min,每次工作出光可将1.5 cm厚的铝板打穿.该激光器的功率输出可定标放大到kW量级以上,适合进行一些固体热容激光器特点的相关实验.

从理论和实验两方面对一种反射式液晶光阀(LCOS)的调制特性进行了研究.着重研究了在高功率激光系统中,反射式液晶光阀作为空间整形器件面临的一些应用问题,特别是它的各种调制特性、整形能力以及对于光束质量的影响.研究发现,与透射式液晶光阀相比,反射式液晶光阀有着明显的优势,效率达到42%,远远优于透射式液晶光阀10%的效率,从而能够实现系统的大幅度简化,是一种非常有潜力的空间光调制器件.

采用双原子分子光谱参数计算程序LEVEL,分别选用目前最好的解析势能函数之一的Murrell-Sorbie函数和精确的RKR势,数值求解径向薛定谔方程,得到振转能级的本征能量和本征波函数.选用公开发表的最新的电偶极矩函数,计算得到了HBr分子X¹Σ⁺态振动能级低于7时R和P支基频跃迁谱线的爱因斯坦自发辐射系数.

设计了一种与高功率超短脉冲激光放大过程中获得的总增益、增益介质的带宽、激光带宽、脉冲中心波长等参数相关的调制函数,对激光放大过程中的光谱增益窄化进行补偿.此调制函数的优越性在于,对不同性能的激光系统,无需改变调制函数的形式就能适用.通过数值模拟的方法,讨论了在不同增益介质带宽、激光带宽、脉冲中心波长下的补偿效果.此调制函数在高功率超短脉冲激光系统中有良好的应用前景.

在星光Ⅱ铷玻璃激光装置上,采用两级喇曼压缩系统产生的波长为308 nm的紫外光作为探针束,配合Nomarski偏振干涉仪对金平面靶冕区激光等离子体进行诊断.308 nm光具有波长短、亮度高、脉冲时间短、相干性好的优点,作为探针束诊断冕区产生的等离子体电子密度,可以与高功率激光装置打靶激光同步,实现有效地脉冲压缩,同时避免等离子体中谐波分量的干扰.实验获得了308 nm紫外探针光偏振干涉条纹图,在研究Abel反演算法的基础上,利用自行研制的基于Windows操作系统的实验数据处理软件,对实验数据进行了处理和分析,得到了冕区等离子体电子密度的空间分布.结果表明:两级喇曼压缩系统配偏振干涉能有效抑制主束谐波影??以更高时间分辨测量等离子体的更高密度区域.

对双源线性共蒸法制备的非均匀薄膜折射率分布与光学特性的关系作了探讨,并与均匀介质膜的光学特性作了对比;从折射率正变和负变两个方面,讨论了混合介质膜折射率不同变化规律对光学性能带来的影响;讨论了厚度误差和折射率极值误差对非均匀膜光学性能的影响.结果发现:折射率变化规律误差主要对非均匀膜的应用波段范围产生影响,而膜层厚度误差和折射率极值误差超过一定值时,将对薄膜光学特性产生重要影响.

为了探索超热电子的加热机制,利用光学CCD相机和OMA光学多道分析仪,分别在靶背法线方向测量了光学渡越辐射(OTR)积分成像图案和光谱.实验在100 TW掺钛蓝宝石激光器上进行,飞秒激光与铜膜靶作用后,靶表面发光信号由空间分辨装置聚焦成像并引到CCD或OMA谱仪的狭缝上.测得的积分成像图案呈圆环状,光斑形成区域直径约为225 μm,在圆环边缘附近出现局部化明亮光信号,该现象表明,超热电子在传输的过程中存在成丝效应,其分布也不均匀.光谱在300～500 nm之间出现一系列非周期锐利尖峰,在400 nm(2ω₀)附近出现的尖峰应归因于v×B加热机制产生的超热电子引起的相干渡越辐射(CTR).

从Fick第二定律出发,推导了氢气在多层球壳中,扩散过程的浓度分布表达式,即氢气浓度与扩散时间和扩散距离的关系.每层中,在一定的扩散时间内,一定量的氢气的扩散浓度与扩散深度之间近似为抛物线关系,说明渗透物沿着聚合物链段膨胀的方向进行扩散.在同一位置,一定量氢气的浓度,随着时间的延长而增加,说明渗透物使聚合物链段发生膨胀,自由体积增大,扩散路径增多,扩散系数随着浓度的增加而增大.

具有晶体理论密度的高质量金属薄膜对于材料的高温高压状态方程研究十分重要.通过机械研磨抛光技术制备出厚度大于20 μm,均方根粗糙度小于100 nm,厚度一致性好于99%的钼膜.研究了工艺条件对薄膜表面形貌、厚度一致性与表面粗糙度等的影响.机械研磨抛光时,采用较小粒径的磨料和材质较软的研具,可以获得较高的表面质量.在研磨过程中,工件的边缘受到的磨料切削作用最强,采用工件在工装表面均匀分布的形式,薄膜的厚度一致性有较大改善.探讨了目前制备极薄的薄膜工艺存在的问题及可能的解决办法.

在激光驱动的惯性约束聚变(ICF)实验中,中子针孔成像能够为不同靶丸设计的性能提供重要的诊断信息.为了能够在实验上获得较好的结果,需要实验前对各种针孔设计方案进行定性和定量的判断.成像的理论计算可简单分为针孔成像和图像解谱两部分,为了解决成像的针孔设计问题,基于蒙特卡罗方法建立了一套模拟中子针孔成像过程的程序,并且通过编写的图像显示程序可以直观地观察到记录介质所成的2维图像,同时可以对图像的某些参数进行判读.

在相对论情况下,导出了速调管(klystron)和契伦柯夫(Cherenkov)器件中考虑空间电荷波影响的被调制电子束的谐波电流公式;并且分析了空间电荷波对电子束群聚的影响:在小信号时使群聚减小;在大信号时使群聚增强.

为解决速调管输出回路特性参数计算时遇到的困难,结合场分析的手段和3维电磁场模拟计算软件ISFEL3D后处理部分,提出了场分析法.理论分析表明,场分析法可用于计算单注单间隙、多注单间隙、单注多间隙和多注多间隙等各种速调管输出回路的谐振频率、间隙阻抗实部和外观品质因数等特性参数.通过对单注单间隙速调管输出回路的举例计算表明,场分析法的计算结果与反射相位法和等效间隙阻抗法的计算结果吻合较好,初步证实了该方法的可操作性和理论推导的正确性.

介绍了同轴插板式TEM-TE₁₁模式转换器的设计:在同轴波导内沿径向插入四块金属板,将同轴TEM模转变为扇形截面波导TE₁₁模,通过控制插板的长度使不同扇形截面波导输出TE₁₁模的相位不同,最后在圆波导内形成TE₁₁模;通过在插板的前端设置角向均匀分布的金属杆,实现了模式转换器的良好匹配.实验测得模式转换器的辐射方向图轴向最大,与数值计算结果吻合良好,表明实验中模式转换器的输出模式与数值计算结果一致,从而验证了同轴插板式模式转换器的可行性.

在S-300装置上研究了丝阵靶Z箍缩等离子体的软X射线辐射的动态过程.利用多通道X射线谱仪在50～2 000 eV范围内测量了丝阵靶内爆等离子体X射线辐射谱,辐射主要位于60～220 eV谱段.辐射谱可用温度为40～50 eV的Planck黑体谱近似描述.在能量高于500 eV的谱段,辐射谱与Planck黑体谱有较大的偏离.这主要是因为等离子体热斑的出现、在1.5～2 keV范围内线谱的存在和加速电子轫致辐射的结果.

以"CHP01"加速器为实验平台,对自行研制的重复频率三电极气体开关的工作特性开展了实验研究,并对实验结果进行了分析.研究结果表明:开关在自击穿工作下的工作稳定性远小于触发工作时,开关工作范围与触发针位置和气压等因素有关;开关电压选择在自击穿电压的大约80%时,开关抖动小、误触发率低,具有较好的工作特性.

从静电场边值问题的积分解出发,推导出用边界元法求解分区均匀介质填充传输线问题的矩阵表达式,给出传输线电容参数的计算公式,介绍用边界元法求解分区均匀介质填充传输线问题的基本原理和求解过程.对两类传输线的计算结果表明:用边界元法求解分区均匀介质填充传输线问题,不仅具有较高的计算精度,而且可以很方便地应用于各类复杂截面分区均匀介质填充传输线问题的工程设计与计算,边界元法是求解分区均匀介质填充传输线问题的一种有效方法.

应用精度较高的体积加权电荷、电流分配模型,对轴对称平板二极管的空间电荷限制流2维效应进行了粒子模拟研究.选取电压分别为100 kV和1 MV两种情况,对空间电荷限制流受二极管尺寸影响的规律进行了模拟.模拟结果表明,2维效应使空间电荷限制流密度随二极管形状因子(阴极发射半径与阴阳极间隙的比值)的减小而增大,且受相对论效应的影响不明显.经数值拟合得到了空间电荷限制流2维效应与形状因子相关的二阶经验公式,其一阶系数与一阶理论结果基本一致,约为1/4.

为了发展结构紧凑、小束斑加速器,进行了C波段驻波电子直线加速器加速管的物理设计和研究.利用多级聚束和大孔径注入方法,抑制空间电荷效应.加速管由3个聚束腔和4个加速腔组成,长约163 mm,馈入微波功率源1 MW.在最终的数值模拟中,得到脉冲电流约150 mA,俘获效率优于30%,在加速管出口外约14 mm处,对电子的横向分布进行非线性Gauss拟合,得到束斑直径(FWHM)约为0.55 mm.

以往对强激光脉冲电源的电磁兼容性设计一般以经验性为主,难以确保电源的稳定性和可靠性.基于电源主体结构,提出一种定量分析和计算强电磁干扰的方法.对传导干扰的仿真和现场测试表明,机架上每米的地电位差小于10 V,机壳外的准静态磁场低于0.16×10^-4 T.测试和计算结果表明,电源电磁兼容性符合设计要求.

介绍了阳加速器新磁绝缘传输线(MITL)的物理设计及实验检验.在缩短MITL整体长度及绝缘环宽度的同时,将原结构改成以共顶点同轴圆锥段为主体的新结构,使阴极表面、绝缘环及三相点满足电场设计要求,最小磁绝缘电流较原结构有所降低,将结构电感从原来的70.9 nH减小到31.7 nH.利用短路实验及丝阵内爆实验对新MITL进行了检验,结果表明新MITL的性能指标有所提高.

实验利用二极管型电子枪研究了单晶LaB₆热阴极的直流发射特性.阴阳极间距5 mm,从直径为2 mm发射体上测得175 mA直流束流(阴极温度约为1 870 K、阴阳极电压6.5 kV、空间电荷限制状态),电流密度为5.57 A/cm².采用Longo方程拟合直流发射电流,该方法比以往单纯用Child或Richardson-Dushman公式更符合实际.实验还观测了阴极工作环境和表面状态对直流发射的影响,当真空度低于7×10^-4 Pa时,阴极发射能力逐渐下降,阴极表面碳、氧污染使发射体功函数升高.长时间加热后,石墨上会蒸镀LaB₆,由此会造成热子电阻的下降.分析表明La原子补充不及时和表面气体吸附是影响直流发射能力的主要因素.

讨论了不同发射机理对铁电阴极材料性能的要求,对PZT(锆钛酸铅)系铁电陶瓷工艺过程中的关键步骤进行了研究.通过掺杂改性和改进预烧条件等手段,有效地改善了材料的性能参数,制备出相对介电常数大于3 000的弛豫相铁电陶瓷和压电常数大于500×10^-12C/N的铁电相铁电陶瓷.在初步的发射实验中,使用改进工艺后的PLZT8/65/35制备的铁电阴极,触发脉冲5.4 kV时,获得的发射电子电流密度达到800 A/cm²,远大于C-L定律计算的发射电流.

采用射频(13.56 MHz)反应溅射方法制备a-SiC:H 薄膜,并将其在空气中进行高能γ射线(平均为1.25 MeV)辐照,5个样品的吸收剂量分别为0,2×10⁴,4×10⁴,6×10⁴,8×10⁴ Gy.采用拉曼及红外光谱对薄膜的结构进行表征,得到了其结构与特性的变化规律.研究与分析表明:随样品吸收剂量的增加,陷入空穴中的电子会被激发,a-SiC:H薄膜中的SiC成份增加,电阻率变小,数量级为10⁵Ω·cm;薄膜存在结晶化的趋势,其主要原因在于由Si-O-Si键断裂而产生的Si取代膜中C-C键中的C而形成晶态SiC,在此过程中出现了Si-O-Si键及a-SiC:H的减少,晶态SiC的增加.经γ射线辐照后薄膜的氢含量降低,折射率从5.19增大到5.53,辐照后薄膜的透过率均低于原膜的透过率.在500～2 300 cm^-1(对应波长为20.00～5.29 μm)波段内,a-SiC:H薄膜存在一定的增透作用。

在研究兰州重离子冷却储存环(HIRFL-CSR)纵向相振荡运动特性的基础上,对主环(CSRm)内重离子的加速过程进行了模拟研究.选取由扇聚焦回旋加速器(SFC)剥离注入的能量为7 MeV/u,动量散度为±0.5%的¹²C⁶⁺典型离子,模拟了CSRm内束流的加速过程,加速的最终能量为1 GeV/u.在加速过程中采用了变换谐波的方式,解决了较低能量下的加速问题.模拟结果给出了不同时刻粒子在纵向相空间的分布以及各主要高频参数随时间的变化曲线.

对高功率微波脉冲压缩系统中气体开关对功率增益的一些重要影响进行了较详尽的理论分析,包括气体开关在导通过程中吸收微波能量,等离子体瞬间功率损耗使得谐振腔固有品质因数的下降,开关导通后等离子体并非理想良导体等,并将这些影响用修正系数来加以体现,对原有的用微波等效电路理论推导出的功率增益公式加以修正,使得理论公式的精确度由原来的60%提高至约85%.

选择了一台商业化的前端电子学RFTF(radio frequency front-end for transverse feedback system)用于BEPCII横向束流反馈系统, 这是跟进世界先进加速器技术的具体实施.在BEPC同步运行模式下对RFTF的性能进行了测试实验,结果表明使用RFTF可以得到理想的波形,能够满足BEPCII横向反馈系统的需要,但是,当储存环出现不稳性时,系统无法正常工作,这就要求BEPCII纵向不稳定很小或者用纵向反馈系统来抑制存在的纵向不稳定.

基于光学渡越辐射原理的用于高能强流电子束束流参数在线测量及诊断系统,具有时间响应快、分辨率高等特点,可以测量电子束的束剖面、发散角、能量等多个参数.分析了测量系统的结构参数(包括了透镜的焦距、成像面位置、CCD像元尺寸)对电子束能量测量精度的影响,并在理论上模拟了电子束的发散角的影响.还根据系统数据的特点,阐述了数据噪声对能量测量结果精度的影响,指出了光学渡越辐射测量中电子束能量分辨精度受到多种因素的影响,需要在数据处理时考虑修正.