利用金属有机物气相淀积生长了980 nm GaAs/AlGaAs分别限制应变单量子阱激光器物质,通过常规工艺制成国际标准的1 cm半导体激光器线阵列.隔离槽的深度与电流扩展有着密切的关系,对出光功率等重要参数有着较大的影响.通过隔离槽变深度实验,发现在不超过有源层的前提下,输出功率和斜率效率与隔离槽深度均成正比,阈值电流与隔离槽深度成反比,隔离槽深度过深即超过有源层会导致激光器线阵列的主要参数下降,从而最佳腐蚀深度应不超过有源层,本实验为1.993 μm.

对氧碘化学激光(COIL)系统的喷管和扩压器进行了3维数值模拟,对比分析了几种喷管和扩压器的设计方案,计算了从光腔入口到扩压器出口的气动力学过程.光腔内主副气流借助翼片辅助方法实现充分混合,翼片长0.77 cm,宽0.254 cm,满足气流混合要求.扩压器是1/4结构,即计算区域为入口截面高30 mm、宽60 mm的长方型,之后等截面延续500 mm,然后宽度仍然不变,高度以4°角扩张,延续700 mm,最终的出口截面高度为79 mm.采用空气入射,入口处(光腔出口)马赫数3.2,静压1 232 Pa,温度110 K;计算得到出口处总压13 300 Pa,总温300 K.结果表明:出口静压超出入口静压近10倍,该扩压器很好地起到了压力恢复的作用,而总压下降到1/4.5左右(从60 648 Pa到13 300 Pa),从而能够减轻后续的引射器的工作压力.利用高光腔压力设计可以减少一级引射器,达到整个系统小型化设计的目的.

在近海面大气边界层中进行了1 km路径的水平光传输实验,结果表明:利用闪烁和漂移效应推导的大气折射率结构常数之间存在着较大的差异.定量的理论分析揭示了两者不一致的原因在于:闪烁效应主要对路径中部的小尺度湍涡敏感,漂移效应则对发射端附近的大尺度湍涡敏感;随着内尺度变大,漂移效应测量的折射率结构常数将大于闪烁效应测量的折射率结构常数,当内尺度达到20 mm时,前者的测量结果是后者的3倍;当外尺度变小时,漂移效应的测量结果小于闪烁效应的测量结果,当外尺度仅为1 m时,前者的测量结果为后者的1/2;大气折射率3维功率谱的幂律的变化对测量结果的影响非常大,当幂律大于-11/3时,闪烁效应测量的折射率结构常数大于漂移效应测量的折射率结构常数, 最大差异接近于25倍, 当幂律小于-11/3时,漂移效应的测量结果大于闪烁效应的测量结果,两者的差异甚至可达两个量级.

利用基于亚波长衍射光栅理论的介质-金属-介质的对称夹层结构,对掺杂的双包层光纤进行多点泵浦,根据严格的电磁场衍射理论和光栅方程,分析了多点泵浦时,这种耦合结构的泵浦光泄露的问题,证明了多点泵浦时泵浦光的泄露率仅为15.52%,而对信号光则不存在泄露.这种对称夹层结构可以用于多个大功率激光二极管阵列的多点侧面泵浦双包层掺杂光纤中,以制作各种大功率(数kW级)稀土光纤激光器,其最大耦合效率可以达到80%以上.

深入分析了方板构型的电光开关晶体在高功率载荷条件下的热畸变行为,讨论了光强分布对热效应的影响.以KDP晶体为例,分别计算了激光束光强为高斯分布和均匀分布时晶体的温升、相应的热应力分布、波前畸变以及热退偏.结果表明,光强的分布形式对波前畸变和热退偏的影响是不同的.相对于光强均匀分布的激光束,高斯光束减缓了光斑边沿处的温度梯度,产生的热应力较小,因此可以减弱热退偏效应;另一方面,在光束口径范围内,高斯光束产生了附加的温度分布非均匀性,因而波前畸变会大一些.

利用高频响应材料PVDF作为敏感元件,建立了一套单脉冲瞬态推力测试系统,并用φ37 mm分离式Hopkinson压杆装置对该测试系统进行动态标定.标定结果显示,在0～150 Mpa范围内,PVDF传感器(5 mm×5 mm)的压电特性呈线性,动态压电系数经线性拟合后为20 pC/N.用所建推力测试系统获得了单脉冲激光作用下,旋转抛物形激光推力器的推力加载曲线,并对该曲线形成多个峰值的原因进行了分析.实验结果表明,该系统可以捕获激光推力器脉冲推力加载特征.

在理论分析的基础上设计了直腔结构1.444 μm Nd:YAG激光器,并进行了实验研究.获得了1.444 μm激光输出,当泵浦能量为55 J时,其最高静态激光输出310 mJ.电-光转换效率为0.56%,斜效率为0.81%.并实现了1.444 μm调Q输出,脉冲输出能量18 mJ,脉宽150 ns.

在研究正交子空间投影算法基础上,将此算法用于卫星影像下垫面分类的优化通道选择.通过分析目标谱分布,并运用MODTRAN模拟计算背景程辐射和整层大气透过率,得到对应不同目标的权函数.根据权函数谱分布以及最佳指数函数(OIF)并结合卫星通道用途,最终得到用于下垫面分类的卫星优化通道选择结果.通过对选择的通道进行合成,发现此算法用于下垫面分类具有较好的效果.

Chan-Vese模型是一种优秀的简化Mumford-Shah模型.然而Chan-Vese模型是以两个同质区域为基础建立的,这并不符合红外图像的特点,导致直接应用该模型处理红外图像时可能失败.针对这一问题,提出了一种适用于红外图像边缘检测的改进Mumford-Shah模型,并对该模型中目标边缘的保持、停止准则的建立及算法速度的提高作了详细讨论.实验表明,改进Mumford-Shah模型能够克服Chan-Vese模型在对红外图像边缘检测时不能跨越过渡区域的缺点,有效地检测出目标边缘.

采用宽带数值模型,应用四阶龙格-库塔数值算法对三波耦合方程进行数值分析,研究了泵浦光的波形和脉宽在提高光参量啁啾脉冲放大系统输出飞秒激光对比度的作用.结果表明:在泵浦光脉宽较小的条件下,采用平滑的泵浦光波形更有利于提高飞秒激光对比度;在泵浦光脉宽较宽时,飞秒激光对比度得到很好地提高,而对泵浦光波形不敏感;但继续提高泵浦光脉宽并不能进一步改善飞秒激光对比度,而系统的转换效率却显著降低.

通过热传导方程和边界条件得到高功率双包层光纤激光器温度分布的简化解析解,利用ANSYS模拟验证了简化的合理性,并以双包层的掺镱光纤激光器为例,把外包层的临界温度设定为80 ℃,计算了光纤激光器在自然对流、风扇制冷和水制冷条件下最大输出功率.计算结果表明:自然对流的情况下,对流传热系数为10 W·m-2·K-1时,光纤激光器的最大输出功率为105 W;风扇制冷的情况下,对流传热系数为80 W·m-2·K-1时,光纤激光器的最大输出功率820 W;要达到kW以上功率输出,必须对光纤进行主动水冷.

对用于固体激光介质冷却的组合式中间换热器的流动与传热特性进行了实验研究.实验研究结果表明:努塞尔数随雷诺数的增加而增加,总热阻随微通道侧蒸馏水流量的增加而减小,总换热量随微通道侧蒸馏水流量的增加而增加,且换热器的传热系数可以达到1.5×104 W/(m2·K),总热阻小于0.3 K/W,能较好地解决当前固体激光介质冷却系统中间换热器所存在的问题.

利用脉冲Nd:YAG激光作用在铝、铜靶上,研究了不同入射激光能量下冲量耦合系数和离焦量之间的关系,以及不同功率密度情况下冲量耦合系数和光斑直径的关系.实验表明铝靶在入射激光脉冲能量由75.8 mJ增加到382.3 mJ时,冲量耦合系数峰值对应的最佳离焦量由-10 mm处远离焦点向透镜方向移到-18 mm,而对应的激光功率密度仅由2.0×109 W/cm2增加到3.9×109 W/cm2;铜靶实验规律和铝靶类似.等离子体屏蔽的吸收作用导致了冲量耦合系数达到最大值后迅速降低.铝靶在入射激光功率密度由0.7×109 W/cm2增大到1.0×1010 W/cm2时,冲量耦合系数随光斑直径增大而增大,对应变化斜率由5.2×10-5 N·s/(mm·J)增大到49.2×10-5 N·s/(mm·J),表明了稀疏波对冲量耦合系数的削弱作用随入射激光功率密度增加而增加,随光斑直径增大而减小.

计算出固体棒状热容激光器在不同散热边界条件下的温度分布和随时间的演变,与实验测量的结果进行了对比.计算结果表明:激光器工作在热容模式时,不同散热边界条件下激光介质内的温度分布在激光发射期间区别不大,激光发射期间,激光介质内的温度分布主要取决于泵浦光的吸收.但是散热过程中的不同散热边界条件下温度分布演化大不相同,此时的温度分布主要取决于散热边界条件.

介绍了一种波前解卷积中噪声抑制规整化的新方法,并将此方法应用于室内模拟点源实验中.该方法通过在图像复原算法中增加针对图像高频部分的限制条件来抑制高频噪声,以达到对图像复原问题病态特性的规整化.实验结果表明:该规整化方法可以有效地抑制解卷积过程中高频噪声的影响,恢复出达到理论衍射极限分辨率的图像.对于噪声水平较高的降质图像,通过这种解卷积方法可以有效地提高信噪比.同维纳逆滤波方法相比,该方法可以在有效抑制导致病态的高频噪声的基础上充分保持图像的低频;与基于贝叶斯估计的近视解卷积算法相比,该方法不需要知道噪声水平或噪声类型等先验知识,只是从噪声本质出发,通过抑制降质图像高频部分,有效地解决了病态特性问题.

采用不同量程的电子谱仪与LiF热释光探测器相配合,测量了飞秒激光-等离子体相互作用中产生的快电子能量分布.结果显示快电子能量分布的一致性和多个重要特征与国外同类实验和计算机模拟结果相似.快电子能谱在低能处产生凹陷是由于冷电子的回流产生的;几种加速机制共同作用是能谱在100～350 keV范围内出现平台的原因;快电子的有效温度较好地满足共振吸收的温度定标律是由于反射激光加速与共振吸收机制均是通过朗道阻尼或波破对电子进行加速的.

利用离子辅助电子束沉积方法在LiB3O5基底上镀制了不加SiO2内保护层和加SiO2内保护层的倍频增透膜,测量了两类薄膜在波长1 064 nm多脉冲辐照下的激光损伤阈值,获得了两种不同的损伤形貌,并对损伤原因作了初步探讨.实验结果表明:保护层的加入把由基底膜层界面缺陷吸收所决定的阈值改变到由HfO2膜层内缺陷吸收所决定的阈值,显著提高了倍频增透膜的抗激光损伤能力.

采用瑞利散射法和Mach-Zehnder(M-Z)干涉法分别测量氩、氪团簇的尺寸和密度,讨论了影响团簇尺寸和密度的因素,并比较氩团簇和氪团簇特性的异同点.通过改变诊断光和喷嘴阀门的相对延迟时间,获得了团簇尺寸和密度随时间的变化情况,发现氩、氪团簇的尺寸和密度均在3～25 ms达到最大值;在气体背景压强1.2～6.0 MPa下,测量了喷嘴轴线上的密度分布,发现离喷嘴喉部越远,气体密度越低,并且气体密度随压强呈线性上升.

描述了基于线性相位反演算法的波前传感器的基本组成结构.在实验室内搭建了相应的演示验证实验装置,对该种新型波前测量方法的特性进行了实验研究.实验计算结果表明:这种根据入射全孔径远场光斑强度分布直接反演出入射波前相位的线性相位反演新方法原理是可行的.只需实时测量一幅焦平面图像,根据焦平面上光强分布的微小变化量与入射孔径面上的相位分布的微小变化量之间存在的近似线性关系,就可以用模式复原的原理复原出入射波前相位.传感器对于离焦,像散等像差模式都可以进行较为准确的测量,误差率都小于1.对称系统像差中存在少量的非对称像差对复原结果的准确性影响不大.

以聚醚二元醇、甲苯二异氰酸酯为原料,合成了聚醚型聚氨酯预聚体(PUP).采用该预聚体、扩链剂1,4-丁二醇、交联剂三羟甲基丙烷对TDE-85/甲基四氢邻苯二甲酸酐(MeTHPA)环氧树脂体系进行改性,通过示差扫描量热法与红外光谱法分析,探讨了聚氨酯(PU)改性环氧树脂体系固化反应机理及固化反应动力学特征.固化反应机理研究表明,TDE-85与MeTHPA之间的固化反应形成环氧聚合物网络Ⅰ,1,4-丁二醇及三羟甲基丙烷同PUP进行了扩链、交联反应形成了PU聚合物Ⅱ.异氰酸酯基同环氧基反应,使得聚合物Ⅰ与聚合物Ⅱ形成了接枝化学键.固化反应动力学研究表明,PU的加入可明显降低环氧树脂固化反应的表观活化能,活化能由TDE-85/MeTHPA树脂体系时的83.14 kJ/mol降至PU改性后的67.91 kJ/mol.

依据微波在等离子体中的传播特性,并利用微波透射非磁化等离子体时在三个相邻频率点的透射能量衰减值,可同时诊断等离子体中的电子密度和电子碰撞频率.使用该方法对100～700 Pa范围内氦气辉光放电等离子体进行了诊断,选择6.2,6.8和7.4 GHz三个频率点,并与使用双探针诊断的诊断结果进行比较.结果表明:两种诊断方法所得碰撞频率基本一致;微波透射衰减法诊断出的电子密度值与探针法的诊断结果在同一数量级(1016 m-3),但前者约是后者的1.67倍.最后对造成这一差异的原因进行了分析.三频点微波透射衰减诊断方法可用于较高气压及其它静电探针使用受限的环境下,并且可以采用能量较小的微波,不会对等离子体本身造成显著影响,适用于等离子体的初步诊断.

侧向背光照相能直接反映靶表面扰动幅度的变化情况.在神光Ⅱ装置上,实验利用侧向背光照相技术,对烧蚀面扰动引起的内界面扰动增长进行了观测.实验结果表明,观察到的内界面扰动幅度大于期望值.分析认为,造成内界面较大扰动增长的原因主要是2维效应.X光辐照的主要是烧蚀面的中间部分,烧蚀面扰动引起的内界面的扰动就呈现出一幅从中间的扰动区域逐渐过渡到四周的图像.由此,提出了新的靶优化设计方案,应尽可能减小沿背光方向的样品尺寸.

利用Needle合成法与Conjugate graduate精炼法,并基于Thelen和Costich的理论选择初始膜系的材料和结构,设计了532,633和1 315 nm三波长消偏振平板型分光膜.结果表明,此膜系在(532±10), (633±10)和(1 315±10) nm范围内的偏振分离都非常小.对于532,633和1 315 nm 3个波长位置的消偏振要求,入射角的合理变化范围可以是45±2°.

采用脉冲激光沉积(PLD)方法在Si(100)衬底上制备了NaF薄膜.在激光重复频率2 Hz,能量密度3 J/cm2,本底真空度5×10-5 Pa的条件下,研究衬底温度对薄膜沉积速率及结构的影响.台阶仪分析表明:薄膜的沉积速率随衬底温度增加呈指数函数增加,算出NaF薄膜的反应激活能为48.67 kJ/mol.原子力显微镜分析表明:薄膜致密而光滑,均方根粗糙度为0.553 nm.扫描电镜截面微观形貌分析表明:薄膜呈现柱状结构.X射线衍射分析表明:NaF薄膜为面心立方晶体结构,并具有显著的择优取向;当衬底温度约为400 ℃时,平均晶粒尺寸最大(129.6 nm),晶格微应变最小(0.225%).

研究了低电压的人体模型(HBM)静电放电(ESD)对微电子器件造成的潜在失效.分别从CB结和EB结对2SC3356晶体管施加低电压HBM的ESD应力,结果表明:从CB结施加低电压的ESD电应力,所产生的潜在失效的几率要高于从EB结施加低电压的ESD电应力产生的潜在失效几率,即CB结比EB结对低电压的ESD应力引入的潜在失效更为敏感.高温(≥125 ℃)寿命实验有退火效应,从而缓解了低电压的ESD应力使器件产生的潜在损伤,使静电放电过程中引入的潜在损伤自恢复.

设计了对有限宽带状注进行聚焦的周期永磁(PPM)磁场,利用E-GUN,SUPERFISH,MAFIA和PIC模拟软件,建立了计算具有平面对称结构的2维及3维电子光学系统模拟平台,并应用此平台对X波段、100 MW带状注速调管的电子光学系统进行了设计与模拟.结果显示,利用设计的PPM聚焦系统,当磁场周期为60 mm,入口处磁场为0.1 T时,在600 mm的传输距离下,电子注的通过率达到了99.6%.

结合负载限制型磁绝缘线振荡器(MILO)和渐变型MILO的特点,提出了一种新型双阶梯阴极型MILO.该器件前2个叶片为扼流片,中间3个叶片为主作用叶片,后面1个为提取叶片,在电流发射区与慢波结构径向相对的阴极部分分为3段,形成双阶梯阴极结构.根据Maxwell方程和Floquet定理导出其色散方程,并对其振荡主频作了理论分析.2.5维粒子模拟表明,器件工作频率为1.21 GHz,与理论预测相符,双阶梯的引入,对器件阻抗和振荡频率影响较小.在工作电压458 kV、电流40.5 kA条件下,双阶梯阴极结构将MILO输出功率从2.20 GW提高到2.88 GW,功率转换效率从12.0%提高到15.5%.

基于降低工艺难度的目的,提出了一种新型反绕双螺旋线慢波系统,该系统的正绕反绕螺旋线半径不等.利用3维电磁软件CST MWS仿真分析了结构参数对色散和耦合阻抗的影响.结果表明:耦合阻抗在螺旋带内半径较大时没有明显下降;减小螺旋带宽度有利于降低相速度和提高耦合阻抗;在一定范围内,相速度随螺距的减小而增大.在此基础上,结合工程要求设计了8 mm波段行波管的新型反绕双螺旋线慢波系统,耦合阻抗达到21 Ω,工作电压约为20 kV,同时由于电子通道半径较大,降低了对电子光学系统的要求;纵向翼片加载的引进较为有效地展宽了带宽.

利用综合迭代法初步确定了用于高效率行波管的电子枪几何尺寸参数,考虑电子枪设计对导流系数、注腰半径、层流性等参数提出的要求,通过建立评价电子注性能优劣的目标函数以量化设计结果;应用EGUN软件和步长加速直接求优的方法对目标函数进行了优化,优化结果满足了设计要求.该电子枪已经用于制管实验,电子注静态通过率99.7%,动态通过率98.0%,电子效率达到34%,实验结果进一步验证了该电子枪设计的合理性.

在高导流系数的宽带速调管中,电子束径向及横向速度都会发生显著变化,运动电子与间隙电场之间的能量交换是非线性的互作用过程.为了能全面描述这些现象,基于圆环模型导出了相应的理论公式,并据此编写了用于速调管注波互作用分析的2.5维程序LSP.随后使用该程序针对一个实际的S波段宽带速调管做了详细计算,与1维程序相比,LSP的计算结果与实测值具有更好的一致性.

在数值分析的基础上,采用加宽的波导结构设计了一种S波段三路高功率微波输出多工器,通带范围分别为2.65～2.75,2.80～2.90和2.95～3.05 GHz.该多工器每路的传输损耗在0.1 dB以下,反射损耗在15 dB以上,各路之间的隔离度在30 dB以上,能量效率在95%以上.利用电磁场全波分析软件,验证了宽边加宽的波导输出多工器功率容量达到GW量级.

运用相对论返波管非线性理论,推导出描述相对论返波管束波互作用的非线性自洽方程组;数值求解了该非线性自洽方程组,揭示了相对论返波管中由非稳态束波互作用产生的超辐射现象的基本规律:输出超辐射波峰值功率大约与参与互作用电子总电荷量的平方成正比.并将超辐射和由稳态束波互作用所产生的受激辐射作了相关比较,结果表明:超辐射是短电子束脉冲产生非稳态束波互作用的结果,而受激辐射是长电子束脉冲产生稳态束波互作用的结果;不断增加电子束脉冲宽度,辐射机制由超辐射转变为受激辐射.

利用电缆的转移阻抗,将空间电磁场在电缆屏蔽层产生的电流作为多导体传输线(MTL)方程中的激励源,提出了计算编织屏蔽多导体电磁脉冲(EMP)响应的FDTD-MTL混合计算方法.分析了电缆转移阻抗的计算模型,并同实验结果进行了比较,证明Tyni提出的转移阻抗模型更符合实验结果.最后,利用该混合方法得到了三导体屏蔽电缆的强电磁脉冲响应.

对不同透过率的阳极网进行实验研究,得到了主频为3.4 GHz和3.7 GHz的辐射微波,对同轴虚阴极内的电子束分布进行了分析.对同轴虚阴极内的本征模式进行了计算,并与实验结果进行比较.实验结果表明:网内电子束的分布对微波输出模式有重要影响;同轴虚阴极微波频率是阴阳极间距及谐振腔共同作用的结果;阳极网透过率对频率有显著影响,透过率越高,则微波频率相应提高.

研究了具有一定导电性能的碳纤维的直流场致发射电子束特性,实验分别在大气环境、低真空(10-1 Pa)及高真空(10-5 Pa)环境下进行.实验结果表明,碳纤维具有一定的场致发射能力,并且发射特性和发射环境的真空度密切相关.在大气环境下,发射电子束流与所施加的电压符合Fowler-Nordheim关系,当电压为7 kV,电流为61.4 μA时,根据Fowler-Nordheim定理推算出碳纤维场致发射场增强因子为3.75×105.在低真空条件下阳极只收集到微弱的电流;在高真空条件下,阴极发射明显,在较低电压下就能观测到阳极电流,放电前阳极最高电流是大气条件下的3～4倍,发射的束流大小和所施加在尖端的电压关系接近Child-Langmiur定律.

磁铁设计对于等时性回旋加速器极为关键.磁场分布需要满足粒子等时性加速和粒子径向、轴向聚集要求,同时避免危险的横向共振.提出了一种计算机辅助的自动化磁铁设计、建模和修正的方法,该方法在基于Python混合编程的虚拟样机集成设计环境中实现.详细描述了利用3维电磁场仿真软件TOSCA和自主开发的粒子束跟踪软件PTP对磁铁的优化过程,并给出了一个16 MeV负氢紧凑型回旋加速器的主磁铁设计实例.

在原单脉冲直线感应加速器(LIA)组元的基础上,利用电缆延时和电缆反射两种方式获得了间隔500～1 000 ns的猝发双脉冲输出.在感应加速腔上进行了双脉冲实验,获得了幅度大于200 kV、前沿小于35 ns、平顶大于60 ns的双脉冲加速电压波形.两种方式中第一个脉冲的前沿和幅度都达到了原单脉冲组元的水平,表明加速腔负载的变化对波形没有明显影响,但由于电缆对波形的损耗,第二个脉冲的幅度和前沿比第一个脉冲略差.可以利用水介质传输线来代替长电缆,减小传输线的长度及其对波形的损耗.两个脉冲间的幅度差异可以通过改变长电缆的阻抗来调节.实验表明,通过这两种猝发双脉冲的产生方式并结合加速腔磁芯的改进,可简单高效地完成原单脉冲LIA的双脉冲改造.

为更深入地认识电晕放电低温等离子体中自由基的生成机理,以发射光谱测量为基础并结合背景气体淬灭率影响,研究了常压下喷嘴-平板电晕自由基簇射过程中放电参数、背景气体、电极气成分等因素对OH(A2Σ+→X2Π,0-0)发光的影响.结果表明:在放电参数影响中,放电电压及放电电流都会影响OH生成量,OH发光随功率增加而大大增强;在加湿氮气直流电晕放电中有明显的OH(A2Σ+→X2Π,0-0)光谱存在,但加湿空气条件下OH生成较少;载气增湿后OH生成量明显增多,而Ar和O2的存在分别增强和减弱了OH(A2Σ+→X2Π,0-0)发光,可能的原因是这两种物质影响了放电和OH(A2Σ+)的淬灭.