利用搭建的大臂长差相关仪,进行了飞秒激光脉冲序列间脉冲的互相关实验。实验结果表明:飞秒脉冲间互相关具有飞秒脉冲自相关的干涉相关图样。初步互相关实验和数据处理表明:利用飞秒脉冲固有的间隔和超短的脉冲宽度在μm量级上能精确标定大型光学谐振腔的长度;大臂长差飞秒脉冲相关技术,在未来加速器新光源装置中,可以用于稳定定时信号传输时间,更直接用于大型光学谐振腔的长度确定。

研究了利用微波与电子束团的康普顿散射实现太赫兹的方法、光子产额和辐射功率。推导出了单个电子产生的太赫兹的光子产额和辐射功率表达式,也推导出了电子束团产生的太赫兹的光子总产额和辐射总功率表达式。结果发现:利用微波与电子束团发生康普顿垂直散射,可以产生太赫兹皮秒脉冲;单个电子产生的太赫兹光子产额与微波功率、微波波长成正比,与微波束截面积成反比;单个电子产生的太赫兹辐射功率与微波功率、电子Lorentz因子的平方成正比,与微波束截面积成反比;电子束团产生的太赫兹光子总产额与微波功率的平方、微波波长的平方成正比,与微波束截面积的平方成反比;电子束团产生的太赫兹辐射总功率与微波功率的平方、微波波长以及电子Lorentz因子的平方成正比,与微波束截面积的平方成反比。

设计了一种环带阶梯形光栅限幅器,理论推导并数值模拟了光束通过该限幅器后在限幅光阑平面上的光场分布,定量分析了光强分布随光栅参数的变化规律。结果表明:环带阶梯型光栅实际上是一种闪耀光栅,选择合适的结构参量,可使能量集中分布在偏离光阑中心较远且宽度较大的圆形环带上;亮环位置由光栅递增厚度、光栅周期等参量确定;衍射最亮环位置随光栅递增厚度的增加周期性改变,当递增厚度满足一定条件时,最亮环位置与入射激光波长无关,这对设计多波段的光限幅器比较有利。

通过对谐振腔腔镜失调灵敏度的计算,分析了声光调Q开关位置对调Q脉冲输出稳定性的影响。计算表明:Q开关放置在输出镜一侧会使脉冲序列更加稳定。在基模输出的条件下,获得了峰值功率为几十kW的调Q脉冲输出。采用BBO晶体对Nd:YAG激光器四倍频,获得了1.9 W的266 nm紫外激光输出。

研制了基于菲佐干涉仪的测风激光雷达系统,并使用高斯拟合法和最大似然法反演风速,对两种风速反演方法进行了分析,结果表明:风速较小时,两种方法具有相似的风速反演精度,但高斯拟合法收敛快、受条纹信噪比影响较小;风速较大时,高斯拟合法会由于条纹移出而产生较大误差,而最大似然法在处理风速较大情况时具有优势。实际风速测量时,应根据风速估计值的大小,采用两种方法分别处理大风速和小风速时的情况。最后,使用研制的测风激光雷达系统和风速反演算法,得到了1.5 km以内的大气风速廓线。

报道了一个全光纤的高效率超连续谱产生系统,系统采用增加一段匹配光纤的办法解决增益光纤和光子晶体光纤直接熔接损耗较大的问题,并且对匹配光纤和光子晶体光纤熔接对准过程进行实时监控,使熔接损耗降到最低,从而实现了较高的全系统转换效率(76%)和较好的光束质量。实验研究了超连续光谱展宽的过程,结果显示:超连续谱展宽的初始阶段,拉曼效应和自相位调制效应起主要作用,光谱呈现长波方向展宽较多的非对称性,并出现明显的拉曼斯托克斯峰;光谱继续展宽时,满足相位匹配条件的四波混频开始起作用,拉曼效应产生的加宽光谱成分作为四波混频参量过程的泵浦,使光谱开始向长波和短波两个方向扩展。

在考虑受激布里渊散射和受激喇曼散射效应的基础上,数值求解了双包层掺镱光纤放大器的速率-传输方程,分析了后向泵浦高功率掺镱光纤放大器在不同信号光线宽、光纤长度和纤芯直径下的输出特性,研究了受激布里渊散射和受激喇曼散射的抑制条件。计算结果表明:在后向泵浦方式下,若掺镱光纤长度小于0.68 m,纤芯直径大于26 μm,信号光线宽大于0.04 nm,则放大过程中的受激布里渊散射和受激喇曼散射能同时得到有效抑制。

研究了高功率激光装置光路中的分子级污染程度。采用专用空气采样动力设备及吸附管,在一定时间内对光路中的空气进行采样并作痕量分析后,得出了卤素、含硫化合物、可溶性胺类和氨、碳氢化合物 (C6～C16有机物) 4类物质在打靶前后的数密度变化。结果显示:除含硫化合物外,其余3种物质数密度超过了美国NIF标准的上限,其中氨和可溶性胺类、碳氢化合物的数密度超过较多;卤素、含硫化合物、氨和可溶性胺类的数密度在打靶后比打靶前有所降低,而碳氢化合物的数密度在打靶后比打靶前有所升高。结果表明在该装置中存在比较严重的气载分子污染物污染。分析了气载分子污染物数密度变化的原因以及可能的产生源,并对如何去除这些气载分子污染物提出了建议。

频谱搬移法是一种能使截止频率以外的目标频谱通过成像系统的高分辨率成像技术,其效果明显但实现比较困难。为验证其原理上的可行性以及为实际应用提供参考,提出了实现这种方法的一种实验方案。该方案将干涉余弦条纹场记录在干板上,形成余弦光栅,利用CCD摄像机透过此余弦光栅直接对目标物体成像。余弦光栅代替照射目标的干涉条纹场,实现对目标物体的频谱搬移;利用步进电机带动光栅的移动实现条纹场的扫描;一个用软件实现的1维低通滤波器与CCD摄像机组合成为光学成像系统。实验结果对比表明,该方法是可行的,并且能大幅度提高成像系统的分辨率。

经激光辐照和高温退火后能够在硅基上生成氧化多孔硅结构。用514 nm的激光泵浦,观测到该多孔硅的受激辐射。当激励强度超过阈值时,在650～750 nm区域有很强的受激发光峰。这些受激发光峰的半高宽小于0.5 nm。激光辐照和高温退火后,在样品上能形成某些特殊的氧化结构。在傅里叶红外光谱分析中,显示有硅氧双键或硅氧桥键在硅表面形成。计算结果表明:当硅氧双键或硅氧桥键形成时,电子的陷阱态出现在纳晶硅的带隙中。价带顶和陷阱态之间的粒子数反转是解释这种受激辐射的关键。

在工艺上衍射光学元件是通过相位板来实现的,由于其多台阶化产生的不连续性,会对目标光场产生sinc调制,产生高级次衍射斑,损失了15%或者更多能量。通过对设计衍射光学器件的传统的IO迭代算法进行了研究,提出了一种与衍折射相结合的设计方法,在衍射光学器件的部分区域形成一块连续相位区域,减少了相位片台阶化区域的光强和衍射斑的强度。通过逐步变化连续相位对输出光强情况的影响的研究,可以优化相位参数,使入射到输出面的光束保证一定匀滑性的前提下,提高目标光场区域的衍射效率达到90%以上,能够满足均匀照明的要求。

研发了一种用于相变致冷的高热导率、固液转换时体积变化率小以及膨胀系数与Si基底接近的镓基相变合金材料;在实验室里模拟实际工况,对镓基相变合金材料试件进行了实验测试,确定某一组分编号可基本满足实际使用需求的镓基相变合金材料。按照实际应用条件对在强激光条件下填充在硅镜内部的该相变材料的应用效果进行了有限元的仿真计算,结果表明:在初始温度为298 K的真空绝热环境中,热流密度为0.198 4 W/mm2,采用该镓基相变合金材料能够将镜面温度控制在313 K,抑制了镜面的热畸变。

在超强脉冲激光与固体靶相互作用中,利用光学CCD相机和光学多道分析仪,分别在固体薄膜靶背表面法线方向测量了渡越辐射(TR)积分成像图案和光谱。测量结果显示:TR空间分布图案呈圆环状,而辐射区域有发散角和光强分布;TR光谱在800 nm附近出现尖峰,是激光的基频波,这一现象归因于超热电子束在输运的过程中产生的微束团而引起的相干渡越辐射;如果考虑超热电子的产生和加热机制,共振吸收和真空加热对超热电子都有贡献,其中占主导地位的加热机制则是共振吸收对电子的加热。

以丙醇锆作为前驱体,利用酸碱分步催化法制备了ZrO2溶胶,用粒度仪检测胶体粒度;用N2 吸脱附表征凝胶的结构;采用旋转镀膜法在K9基片上镀制单层ZrO2薄膜;用分光光度计和椭偏仪检测膜层的透过率、折射率及膜层厚度;用红外光谱仪检测胶体内部粒子间化学键状态。实验结果发现,在脉宽1 nm,波长1 064 nm时,采用此种胶体镀制的单层ZrO2膜层折射率达到1.74,单层膜损伤阈值为9.0 J/cm2,表明该方法集中了酸与碱两种催化方式的优点,一定程度上提高了膜层的光学性能。

基于小信号增益公式、菲涅耳反射公式和判断内腔四程放大高功率激光系统寄生腔增益与损耗大小,研究了2个光路构型相似,寄生腔构成相近的高功率固体激光装置(装置A和装置B)的系统寄生振荡问题:首先指出了系统中存在可能起振的3个寄生腔,然后分析了3个寄生腔中影响损耗的各个因素,根据装置A上的实验结果,判断在仅通过钕玻璃片检偏的情况下,装置B的第3寄生腔存在产生寄生振荡的可能性,最后采取加入一组偏振片的方法抑制寄生振荡。

研究了群聚电子注穿越同轴TM812模谐振腔的换能效率和同轴TM812模谐振腔中微波能量的提取方法,论证了其作为毫米波多注速调管的输出腔的可行性。研究结果表明:理想群聚电子注穿越同轴TM812模谐振腔的换能效率可达3.29%,一般群聚电子注穿越同轴TM812模谐振腔的换能效率可达1.86%;采用同轴TM812模谐振腔与沿轴向的同轴线耦合可以实现微波能量的提取;在输出腔工作频率为100.945 GHz,外观品质因数为2 243情形下,根据估算,最大输出功率可达15 kW。

对临床上常用的2 450 MHz微波在均匀介质中的电透入深度进行了分析,基于生物组织的热波模型,研究了生物组织吸收微波能的热效应;实验采用红外热成像仪测温,以2 450 MHz的微波辐射器辐照均匀的分层仿生体模,根据实验数据对微波热疗中透热深度进行了研究,说明微波的透入深度和透热深度的区别,并给出微波辐射器的功率、辐照距离和辐照持续时间对透热深度的影响。结果表明:当采用增大功率、延长辐照时间和近距离辐照等手段,都可以提高微波在人体的透热深度,为体外微波热疗中的人体传输模型建立及热疗的无损测温与控温奠定实验基础。

运用场匹配法和傅里叶级数理论,提出一种原则上可数值求解任意同轴周期慢波结构色散特性的方法,给出了同轴慢波结构TMon模的色散方程。基于该方法,编制了Matlab程序,给出了同轴波纹波导和同轴双波纹波导色散特性,以算例形式分析计算了同轴盘荷波导的色散特性。数值计算结果与多维全电磁模拟软件结果进行比较,证明了该数值算法的准确性和可靠性。

在耦合波理论的基础上,研究了94 GHz回旋管内置TE03-TE02-TE01模式转换器和外接的TE01-TE11模式转换器。采用半径渐变微扰和轴线微扰几何结构以及不同的相位重匹配技术进行优化分析,得到了可靠的最优几何参量,设计出了紧凑、高效的94 GHz波纹波导模式转换器和蛇形线模式转换器。回旋管的热测实验中测出的模式样图表明,所设计的内置模式变换器有效地实现了TE03-TE02-TE01的模式转换。

基于气体极化强度叠加模型,推导了混合气体的介电常数,得到了高功率微波在混合气体中传播时的折射指数和衰减系数。研究发现,高功率微波大气电离产生的混合气体是快速时变的色散有耗介质。根据其色散性分析了微波在混合气体中的传播速度以及微波脉冲在其中的展宽效应,同时,根据其有耗性对微波脉冲在混合气体中传播时的缩短效应进行了研究。研究结果均能自洽地过渡到对流层或电离层电波传播理论。

借助3维粒子仿真软件对一种新型18叶片5.8 GHz磁控管进行了动态模拟,比较了爆炸式发射与电子注发射的不同。利用磁路电子注发射方式针对不同的阴极发射电流进行了动态模拟,得到了不同发射电流条件下磁控管的工作特性。同时,利用FEMM仿真软件对磁控管磁路进行了仿真,得到了磁控管互作用空间的磁场分布,并在此基础上,对非均匀磁场下磁控管动态性能进行了模拟。

用时域伪谱(PSTD)算法数值模拟了高功率电磁波脉冲在整个电离层中的传播。利用缩减的电离层模型并忽略非线性过程,脉冲在电离层中的传播可用脉冲在冷等离子体中的传播方程来描述。时域有限差分(FDTD)法解决这个问题将耗费大量的时间和内存,因此,使用PSTD方法来解决冷等离子体中的方程,并采用完全匹配层边界条件截断求解空间。所得脉冲在整个电离层传播的数据显示,在265 km附近有一个分界点,其以下是反射波,以上既有反射波又有前向波。这与用高阶(FD)2TD方法数值模拟结果一致,表明时域伪谱算法模拟电磁波在电离层中长距离传播的有效性。

提出了一种使用电磁带隙结构来减小微带印刷对称阵子天线雷达散射截面的方法。该方法利用电磁带隙结构的带阻特性,使其能作为天线的地板,在带外(非谐振)时,电磁带隙结构对入射电磁波起滤波作用。仿真和实验的结果表明,电磁带隙结构能保证天线在带内辐射不受影响的同时,还大幅度地降低了天线带外的雷达散射截面。

在FAC程序包中碰撞辐射模型的基础上,模拟出了L壳层的类Li氧等离子体的X射线辐射光谱,其中包括了单、双和三离子模型。经过分析得出,除了碰撞激发以外,级联效应和其它的动力学过程(如:碰撞电离、双电子复合、辐射复合以及共振激发等)对光谱的贡献都是不能被忽略的。并分析了类Li氧等离子体各动力学过程与温度和光谱相对强度之间的关系,分析结果表明X射线光谱的强度能及时响应等离子体温度的变化。

柠檬酸的用量将影响CaMnO3粉末性能。以金属硝酸盐为原料,去离子水和乙二醇为溶剂,在不同柠檬酸络合剂用量的情况下,采用溶胶-凝胶法制备了CaMnO3溶胶。通过煅烧干凝胶前驱物制得了钙钛矿型CaMnO3多晶粉末。利用X射线衍射仪、扫描电子显微镜、激光粒度分析仪等手段分析了所得粉末。结果表明:所得钙钛矿型CaMnO3晶粒度在20～50 nm之间,粉末为300～500 nm 多边形颗粒,粒度随柠檬酸用量增加而增大,晶粒尺寸也逐渐增大,增幅均较小。

采用密度矩阵方法来处理长脉冲光与钠原子的相互作用,求解24能级钠精细结构的布洛赫方程,给出参与跃迁的每个态密度随时间的演化曲线。对于圆偏振情形,发现在长脉冲(大于100 ns)的持续时间内,最终的原子通过转移只在3S1/2(2,2)到3P3/2(3,3)之间进行泵浦并且激发态达到稳态。进一步的2能级模型计算与24能级计算结果的对比表明:用2能级近似的速率方程方法取代24能级密度矩阵方法具有合理性,由此简化了模型,节约了后续研究的计算量。

采用数值计算方法,模拟了共轴环光子晶体缺陷微腔的谐振模式场分布,计算了此微腔的品质因数和功率损耗,并分析其几何参数对谐振特性的影响。以此缺陷微腔为基础构建周期性慢波系统,讨论了该系统的色散特性。结果表明,微腔中能够存在单一的谐振模式,微腔的纵向长度和介质环介电常数对谐振特性影响较大。所构建的慢波系统有较宽的慢波频域,且慢波比曲线较为平坦。增大电子注开孔半径和减小周期长度对于提高工作频率及增加带宽较为有效。

能产生短脉冲、快上升沿、快下降沿、大电流、能工作在MHz重复频率的固体调制器是脉冲功率技术的一个重要发展方向。介绍了功率MOSFET器件组成的固体调制器的原理以及实验结果,该调制器由多个固体开关模块组成,每个固体开关模块由6个并联的MOSFET开关组成以增大输出电流。固体开关模块采用感应叠加的方式得到高的输出电压。设计的调制器有很快的上升时间与下降时间,其输出脉冲宽度可调并且可以工作在2.5 MHz的重复频率下。在51 Ω的纯电阻负载下,由9个叠加模块组成的调制器可以输出6.2 kV的脉冲电压,脉冲前沿为20 ns。

基于紫外预电离技术和阻容耦合电路研制了应用于高功率装置的三串联3 MV自耦式紫外预电离开关。该开关由紫外预电离间隙和开关主间隙组成。根据同类开关在脉冲电压下的击穿数据推算出3 MV开关的间隙距离,开关主间隙的电场不均匀系数为1.58。采用台阶屏蔽技术使开关有机玻璃筒外沿面最大电场小于50 kV/cm,满足设计要求。设计紫外预电离间隙击穿电压为主脉冲电压的1%,理论模拟计算表明,在0.1～0.7 MPa范围内,预电离间隙电压大于在此范围内间隙击穿电压,保证可靠预电离。

研制了基于串联谐振和高频逆变技术的40 kW/10 kV数字化控制高频高压脉冲电容器恒流充电电源;采用合理谐振参数设计和高频高压变压器优化设计,使得40 kW充电电源功率密度达到0.5 MW/m3;研究了高压充电电源的保护技术,通过采取多种保护方法及安全措施,提高了充电电源的安全性能;在40 kW数字化控制充电电源基础上,介绍了实现充电电源远端控制和并联运行的方案;给出了1 MJ/10 kV脉冲电容器负载上的单台充电电源的实验结果。

设计了中国散裂中子源(CSNS)快循环同步加速器(RCS)引出系统快脉冲冲击磁铁样机。为降低磁铁和其电源的研制难度,保证运行的可靠性,决定采用美国散裂中子源(SNS)的Single-turn结构。根据磁铁的设计指标,给出了磁铁设计要求铁芯材料选择方法、整体的结构设计以及如何对磁铁进行定位和准直,并采用Opera程序进行模拟计算,结果表明:当铁芯长度为220 mm时,磁有效长度大约为302 mm;磁感应密度最大的地方在4个内角上,约为0.215 T;在133 mm×200 mm的平面范围内,磁场均匀性优于±0.8%。理论分析和Opera程序模拟均验证了磁铁结构方案的可行性。

采用快速Marx发生器产生ns量级的高电压脉冲,分别开展了不同脉冲电压值下气体开关自击穿实验,获得了气体开关在不同气压下的击穿电压和击穿延迟时间以及抖动。详细介绍了纳秒脉冲电压作用下,气体火花开关击穿电压和击穿延迟时间随工作气压变化的特点,指出了气体开关在不同场合应用时的要求。

金属化膜电容器是惯性约束聚变激光装置能源系统最重要的元器件之一,其可靠性水平对整个装置的可靠性和运行维护费用有着重要的影响。在分析金属化膜电容器失效机理的基础上,采用Wiener过程对其性能退化过程进行建模,得到了其寿命分布。在此基础上,提出了一种综合性能退化数据和寿命数据的可靠性评估方法。给出了一种评估精度的分析方法,对综合评估方法和基于性能退化数据评估方法的精度进行了分析,结果表明,综合评估方法的评估精度高于基于性能退化数据的评估方法的评估精度。

分析了准分子激光脉冲在放大过程中的展宽现象。将饱和开关技术应用于放电泵浦激光器放大腔的放大压缩,发展了脉冲负反馈饱和压缩技术。利用该技术在天光一号系统前端LPX-150激光器上成功获得能量100 mJ、脉宽10 ns的脉冲输出,其空间分布均匀性保持在3%以内。这证明该技术可与无阶梯诱导非相干技术联合使用,在保证光束均匀性基础上进行脉冲压缩。