中国工程物理研究院基于超导射频直线加速器的谐振腔型太赫兹自由电子激光(CTFEL)于2017年8月29日16时首次饱和出光，并稳定运行，中心频率2.56 THz，谱宽1.9%，宏脉冲平均功率大于5.7 W。

概述高平均功率光纤激光技术基础领域的最新研究成果,阐明高平均功率光纤激光的技术进步与谐振腔、模式、非线性效应等基础科学问题深度发展的相互促进过程,给出本系列论文的写作思路。

概述光纤激光谐振腔的基本结构、主要组件及其功能，介绍高功率光纤激光谐振腔的发展现状。以光纤光栅为研究载体分析谐振腔时空频域多维特性。从中心波长、线宽和形态三个方面介绍谐振腔输出光谱特性调控的机理、方法与研究进展；从本征模与反射谱的关联角度介绍谐振腔输出模式调控的机理、方法与研究进展；介绍谐振腔瞬态时域特性建模的最新成果，指出时频特性的关联及其对非线性效应产生的影响。最后介绍两种无腔结构的高功率光纤激光。

从半导体激光直接调制理论出发，对直接调制过程中影响半导体激光器高频调制性能的因素进行了研究；运用PSpice建立半导体激光器等效电路模型，仿真研究了电学寄生参数对半导体激光器调制特性的影响且提出了相应的提高其调制性能的方法。在研究半导体激光器调制特性的基础上，设计了一种半导体激光直接调制系统。运用OrCAD/PSpice对直接调制驱动系统进行仿真。研制的半导体激光调制系统实现了频率为1 MHz、平均功率为1.1 W的调制激光输出。

针对紫外通信接收光学系统的特点和发展趋势，在共轴三反光学系统的基础上，提出了一种离轴三反紫外光学系统的设计方法，利用ZEMAX软件进行优化。设计出了一个焦距为998.192 mm、视场角不小于4°、F数为4的离轴三反光学系统。在50 lp/mm空间频率处传函达到0.4以上，接近衍射极限，全视场弥散斑控制在5 μm以内，同时克服了共轴三反存在的中心遮挡问题，提高了系统的像质。该系统设计满足相应技术要求，对紫外通信系统的成功研制具有重要作用和意义。

提出了一种同轴双环形阴极结构二极管，并进行理论求解和仿真研究，得到了双环形阴极二极管中，内外环上场强一致时二极管内尺寸分布关系。并采用粒子仿真软件进行了双环形阴极爆炸发射模拟研究，研究结果表明，双环形阴极发射束流由高压加载后初始时刻二极管内电场分布和内外环形阴极相互之间屏蔽作用的竞争结果决定。提出了两阴极相互之间屏蔽作用的经验公式，指出该相互屏蔽作用程度随发射总束流呈线性关系，随两阴极距离呈指数关系，最终采用粒子仿真软件进行了验证。

主要介绍了某X波段大功率耦合腔脉冲行波管两级降压收集极的CAD分析、结构设计及研制结果。通过使用国营第七七二厂2.5维互作用程序软件包(TWTC软件)对行波管输出端96条电子轨迹的半径，轴向、径向速度模拟并分析，判断电子注层流性情况，然后对两级降压收集极进行光学设计、结构设计和热分析，装管验证结果表明：实测值结果与理论计算的两级降压收集极各电极电流分配比例、收集极效率等参数接近。

交联聚苯乙烯是一种热固性塑料，具有优异的介电特性和耐高压击穿能力等特性。采用基于太赫兹波空气电离相干探测法(THz-ABCD)的太赫兹时域光谱系统，测量了交联聚苯乙烯和聚苯乙烯样品在太赫兹的光谱特性，得到了其在2~13 THz频段的吸收系数、折射率等光学参数。研究结果表明：交联聚苯乙烯和聚苯乙烯的吸收谱形状相似，在6.6，9.8和12.25 THz等处存在多个吸收峰，但是交联聚苯乙烯的吸收系数在12 THz以下高于聚苯乙烯，在12 THz以上低于聚苯乙烯；交联聚苯乙烯的折射率高于聚苯乙烯，聚苯乙烯的折射率在1.58~1.59之间，交联聚苯乙烯的折射率在1.59~1.62之间。

为了在雷达中实现对中距和长距的探测，首先研究并实现了针对中长距雷达探测需求的天线及其组阵形式，然后通过雷达方程得出天线阵列所需的增益与组阵方式，设计了高增益窄波束和低增益宽波束形式的毫米波雷达天线阵列，最后的仿真和测试结果表明，该中长距雷达天线阵列能够满足77 GHz车载毫米波雷达对中距大角度和长距小角度的视野范围探测需求。

扫频式干扰是调频体制引信的主要威胁之一，但其干扰效果具有一定随机性。为了提高其干扰效率，在理论分析扫频式干扰作用下调频引信失效机理的基础上，提出了一种针对单通道调频多普勒引信的窄带扫频式干扰优化方法，可以获取最优的扫频频率步进点数，并依此进行非等间隔频率步进的窄带扫频式干扰。仿真与实测结果表明，该方法可以提高扫频式干扰的干扰效率，同时该方法也可以为成功干扰采用多通道等抗干扰措施的调频引信提供理论设计依据。

随机耦合模型(RCM)是研究电磁脉冲干扰下波混沌系统中感应电压统计预测的新方法，其中波混沌腔体损耗因子的获取是这种方法使用的关键。从随机耦合模型理论出发，分析了损耗因子对腔体阻抗随频率变化特性的影响，探讨了不同损耗因子下归一化阻抗矩阵的统计特性，提出了使用腔体散射阻抗与辐射阻抗的比值作对照，以快速获取腔体损耗因子的新方法。

对高空核爆电磁脉冲(HEMP)环境下、地面上方电缆的感应电流进行了研究。考虑有耗地面的影响，提出了一种将时域积分方程(TDIE)和时域传输模式法结合求解有耗半空间上方电缆瞬态电流的时域方法。通过电磁波本征模的关联性得到斜入射有耗半空间平面波的时域反射系数，不需计算贝塞尔函数的无穷项和便可以得到时域反射系数的精确解。最后给出了核爆脉冲照射下地面上方电缆感应的电流的仿真结果。结果表明：对于水平放置的电缆，当反射脉冲到达电缆后，反射场总是试图抵消入射场，使得电缆上感应电流小于只考虑入射脉冲时的感应电流；电缆的耦合电流会随架设的高度发生显著变化，相对于铺地的电缆，架空的电缆有更大的感应电流。

高强辐射场防护逐渐受到重视，并成为飞机设计和机载设备装机的必要条件。将自主研发的大规模并行三维时域全波电磁模拟软件JEMS-FDTD应用于飞机高强辐射场(HIRF)仿真。数值模拟中为保证计算精度，采用了非均匀网格及共形网格技术。根据实验条件，平面波近似与实验条件差异较大，需考虑天线近场效应，故构建了球面波等效源。给出了平面波近似及球面波近似下的仿真结果与实验结果的对比，结果显示，球面波近似与实验结果更加吻合。在完成数值模拟的基础上，采用PFC方法对仿真结果与实验结果的吻合度进行了评估，评估等级与欧盟HIRF-SE项目定级相当。

为了研究传输线长度对静电放电防护器件性能测试结果的影响，建立了静电放电模型和传输线脉冲模型两种试验系统，对某限压型防护器件进行了快沿电磁脉冲注入试验，并进行了理论分析。结果表明：传输线长度对静电放电防护器件性能测试结果具有极大影响，选用不当会导致错误结论；在对静电放电防护器件性能测试时，应优先采用传输线脉冲测试法；当采用静电放电脉冲测试法时，其传输线长度不应小于8 m。

为了得到场约束方式下，金属陶瓷封装端窗透射微型X光管发射电流的最大化和焦斑尺寸的最小化，对热阴极发射体的几何结构进行仿真计算，为设计实物模型提供技术方案。首先，从理论上推导了直热式阴极发射体、发射电流密度与几何结构的关系，其次讨论了有限积分算法在求解电场分布数值解过程中的离散化思路，最后利用CST粒子工作室软件，建立了几何模型，对阴极发射体的几何结构进行了优化。在灯丝距离控制极0.4 mm、控制极开孔直径为0.6 mm的位置，能够得到较小的焦斑和较高的电荷密度分布。试制的阴极发射体最大发射电流可达85 μA。

根据α能谱的形成机理，建立了一种α能谱峰形函数，提出基于矩估计法确定该峰形函数的拟合参数初始值的方法。以数理统计为基础，分别通过峰形函数和离散谱峰数据计算均值、方差和三阶中心矩建立方程组求解获取拟合参数的初始值。通过连续气溶胶检测仪探测的氡子体α能谱和低本底α能谱仪探测的238Pu面源α能谱对该峰形函数模型和初始值获取方法进行了测试。结果表明：从低重合度到高重合度，该峰形函数模型都能得到较好的应用；基于矩估计法确定该峰形函数的参数初始值能够使该峰形函数较好地拟合α能谱数据。该方法在采用计算机自动α能谱拟合分析中具有较强的实用性。

基于氮化铝双端固支音叉（AlN DETF）的谐振式传感器具有尺寸小、稳定性和可靠性好、时间响应快等特点。为了提高灵敏度和分辨率，需要分析AlN DETF谐振器的振梁结构参数对灵敏度和信号功率的影响。在有限元仿真软件中建立AlN谐振器的多物理场模型，进行预应力特征频率分析，仿真验证单个振梁结构参数对灵敏度的影响。在振梁厚度保持恒定的情况下，对仿真结果的数据进行后处理，得到信号功率与振梁长度、宽度的关系。结果表明，相对灵敏度、信号功率随振梁长度、宽度的变化趋势相反。因此，需要根据工艺水平和结构强度等因素，综合考虑AlN谐振器的信号功率和相对灵敏度，对两者进行权衡。仿真分析了优化后AlN DETF谐振器的性能，±10 μN范围内的灵敏度为56 Hz/μN，信号功率为6.8×10-4 nW，Q值为958。

激光表面熔凝技术可有效降低纳米光波导侧壁粗糙度进而减小光传输的散射损耗。为明确波导侧壁在KrF准分子激光表面熔凝过程的温度场演化规律，考虑材料参数随温度变化和相变潜热的影响，建立了纳米光波导侧壁激光熔凝的二维有限元数值模型，研究了熔池边界的推进行为与不同工艺参数的映射关系。结果表明：熔池形成于波导上表面与迎光侧壁夹角处；激光入射角度一定时，熔池熔深与平均能量密度正相关；熔池形貌受控于激光入射角度，随着入射角度的减小，熔池形貌由单边U形过渡为单边V形最终呈带钝角单边V形。分析表明，较大激光入射角对应的熔池形貌更有利于波导侧壁的光整加工；据此提出先确定激光入射角度以优化熔池形貌，再选取合适平均能量密度以获得足够熔化深度的工艺方法。

提出了一种感测单元不直接接触流场的微剪切应力传感器结构，详细阐述了其感测单元MEMS制作工艺。采用热氧化硅掩膜方法解决了硅深刻蚀的选择比问题；优化后的硅深刻蚀工艺参数：刻蚀功率1600 W、低频(LF)功率100 W，SF6流量360 cm3/min，C4F8流量300 cm3/min，O2流量300 cm3/min。采用Cr/Au掩膜，30 ℃恒温低浓度HF溶液解决了玻璃浅槽腐蚀深度控制问题；喷淋腐蚀和基片旋转等措施提高了玻璃浅槽腐蚀表面质量。采用上述MEMS工艺制作了微剪切应力传感器样品，样品测试结果表明：弹性悬梁长度和宽度误差均在2 μm以内、玻璃浅槽深度误差在0.03 μm以内、静态电容误差在0.2 pF以内，满足了设计要求。

为了保证移动设备在Wi-Fi频段正常工作且不受相邻频段的干扰，设计了一种用于Wi-Fi IEEE802.11b频段(2402~2482 MHz)的BAW滤波器。设计基于薄膜体声波谐振器(FBAR)的一维Mason等效电路模型构成初始结构的梯形滤波器。然后，将串联FBAR的谐振区面积值以及串、并联FBAR的谐振区面积的比值设置为优化参数，以所需的滤波器的带内插损和带外抑制为优化目标，使用ADS软件基于遗传和梯度的优化算法对滤波器进行优化。在滤波器的设计过程中，为了使仿真结果更加精确，采用声电磁协同仿真方法对滤波器进行仿真，并与Mason 等效电路模型仿真结果对比，结果表明，滤波器性能有所下降，带内插损增大1.6 dB，带内纹波增大1.1 dB，带外抑制基本一致。所设计的Wi-Fi频段的BAW滤波器具有低插入损耗(小于3 dB)、高带外抑制(大于40 dB)性能。

磁开关是磁脉冲压缩系统的关键部分，磁开关的磁芯性能参数直接影响到磁脉冲压缩系统的总体性能。针对磁脉冲压缩系统中磁开关磁芯应用特性，设计了回路振荡法对磁芯动态磁特性进行测量。通过测量磁开关工作电压和电流参数，计算磁芯的动态磁滞回线，确定饱和磁感应强度、矫顽力等动态参数。基于实验测量参数建立了包含动态磁滞回线的磁脉冲压缩电路模型，研究了磁开关动态特性对电压传递的影响。根据研究结果可得，在磁脉冲压缩系统设计中选择矫顽力较小的磁芯，可降低磁开关的能量损耗，从而保证系统具有较高的电压传递效率。

固体套筒内爆是采用实验方法研究高能量密度状态下的材料力学性能的重要加载手段之一，国内已经建立起若干开展电磁内爆研究的驱动器。从电流脉冲前沿对固体套筒内爆性能影响的角度进行分析，为如何选择现有的实验装置开展固体套筒内爆实验研究提供依据。采用不可压缩零维模型进行计算，获得了套筒内爆速度受套筒尺寸、电流幅值以及电流脉冲前沿的影响情况。计算结果表明，开展固体套筒内爆的实验研究应选择电流脉冲前沿大于2 μs的装置，这也为未来设计驱动能力更强的固体套筒内爆实验装置奠定了基础。

利用已经建成的4 MeV LIA注入器，结合时间分辨测量系统研究了三种测量技术：发射度测量法、无场准直器和磁场准直器测量法。介绍了强流束亮度定义和典型方法理论分析及测量技术的物理概念，提出了用于猝发多脉冲电子束发射度测量装置的设计与调试，通过对时间分辨测量系统的分幅相机记录的光强度分布信息处理，得到电子束束斑均方根半径和发射角，分析某一时刻数据，即可得到电子束某一时刻发射度，从而获得多脉冲电子束时间分辨发射度。在4 MeV LIA注入器上对多脉冲电子束流的发射度进行测量，得到电子束归一化均方根发射度约为114 mm·mrad、双脉冲456 mm·mrad的归一化发射度。最后结合电子束的高斯分布初步分析并给出均方根发射度、实测发射度和边发射度的关系。

为了实现光导开关以MHz重复频率运行，设计了通过延迟产生MHz序列重复频率触发光的分光系统。分光系统由多根类蜂窝状排布的光纤组成并分为数组，各组光纤长度不同以产生时间序列。进行了光纤分光系统的理论计算，设计了分组程序，获得了各根光纤的输出端能量占比，实现了光纤输出端的分组设计优化。计算结果表明：当分光系统半径与激光器焦斑之比增大时，分光系统效率增高，达到一定数值后，分光系统效率趋于稳定；当激光器焦斑大小不变时，光纤层数增大，分光系统效率变小；当触发光脉冲数不变时，在一定范围内，光纤层数增大，输出端激光能量的最大相对误差变小。实验结果表明：四脉冲10 MHz分光系统实现了周期为100 ns的4个光脉冲输出，输出端能量最大相对误差6.80%，系统效率为38.07%。

为得到工业需要的大电流高重频方波脉冲，分析并改进了半导体全控型Marx发生器，在充电的同时实现了截尾功能。设计采用新型半浮栅结构晶体管 (SFGT)作为主开关，可产生kV高压、百A大电流、高重频的方波脉冲。优化了电路结构，解决直流充电源受脉冲电源放电电压冲击问题。研制得到电流100 A、频率4 kHz、脉宽4 μs、负高压6 kV、上升沿下降沿均在80 ns内的方波脉冲发生器。研究了相应的SFGT磁芯隔离驱动电路，结合了SFGT栅极并联自主电容隔离驱动和IR2110的半桥驱动电路，并对半桥上的MOS管的栅极等效电路进行了理论分析，驱动电路具有抗干扰能力强且脉宽调节范围大的特点。

中子监测仪对不同能量中子的探测效率是其重要的性能指标，直接影响其测量值的可信度与使用效果。针对中国科学院高能物理研究所生产的高灵敏度区域中子监测仪（HANM型），利用蒙特卡罗软件模拟其探测效率曲线，模拟结果表明该仪器探测效率随能量增加，先上升后下降，其探测效率最高值在1 MeV附近。通过改变模拟条件中的射线入射方向，对比探测效率曲线趋势变化，验证该型仪器的探测效率曲线趋势的可靠性。在此基础上，分别利用D-D,D-T加速器产生2.5 MeV和14 MeV单能中子，对探测效率曲线进行校准与验证，最终获得此型仪器的探测效率曲线。

在α放射源能谱测量过程中，PIPS-α谱仪探测效率的影响因素有几何因子、空气层吸收、死层吸收、本征探测效率等，为了更精确地计算α放射源的活度，分析母体核素种类和浓度，探究各因素对探测效率的影响具有重要意义。使用蒙特卡罗软件模拟不同探源距、真空度下的α放射源的能谱测量；使用SRIM模拟5 MeV α粒子在空气和死层中的射程及分布；使用PIPS-α谱仪测量241Am，238Pu，239Pu三种标准源的实际能谱；根据实验与模拟的结果对各个因素对探测效率的影响进行分析，并计算得到谱仪对不同α放射源的本征探测效率。结果表明：在PIPS-α谱仪的能谱测量过程中，影响谱仪探测效率的主要因素是几何因子和本征探测效率，空气层和死层对α粒子的吸收可以忽略不计；谱仪对241Am，238Pu，239Pu三种标准源的本征探测效率分别为64.84%，49.95%，51.55%。

针对放射性物质异常泄漏、防范核材料的非法转移和任意携带，提出一种基于单探头中子/伽马甄别能谱仪系统，实现敏感控制区中特殊核材料和放射性物质的监测。围绕核信号获取与数字化采集、辐射射线粒子甄别与能谱分析，开展基于FPGA与EJ299-33A的核数据采集电路设计、核信号处理算法设计和Matlab中子/伽马鉴别与能谱离线分析方法等关键技术研究。设计上位机软件实时处理辐射能谱数据，为正确做出应急预案提供数据参考。利用新型探测器和分型频谱数学模型在FPGA内部实现射线种类甄别，有效地解决了采用传统老式探测器和模拟电路的方法鉴别困难的问题，验证了分型频谱法在核信号处理上具有一定的可行性。开发完成集放射性种类判定、核素识别于一体的多功能集成中子/伽马探测器，在中子/伽马的混合辐射场中，既能实现射线甄别又能测量能谱，解决在复杂放射性环境中对不同射线种类的能谱分析和核素识别问题。