COIL是一个气体动力学、化学反应动力学以及光学相互耦合的复杂过程.作为高总压COIL系统研究的第一步,利用三维CFD技术对传统的COIL亚声速段横向射流混合过程进行了数值分析,讨论了包括压力梯度驱动项的分子扩散机制,得到了横向射流的较精细的结构,如马蹄形射流界面、逆旋涡对以及射流剪切层.结果表明,压力梯度驱动项对重、轻组分的扩散作用相反,重组分沿压力梯度正向扩散,轻组分逆压力梯度方向扩散.在射流穿透不足的情况下,仍然在喷管出口得到了约为0.01 cm^-1的小信号增益系数.

大气湍流对光波传播的影响主要是由于大气随机起伏的湍流引起折射率的随机起伏,破坏了光波的相干性.研究传输问题就是研究湍流所造成的折射率随机变化的规律.主要利用HTP-2型温度脉动探空仪对大气折射率结构常数进行了实地探测及计算分析.通过对大量探空实验数据的统计分析,分别得出了合肥地区和北方干旱地区(0～30 km)大气折射率结构常数在不同季节的白天和夜间的分布廓线和分布特性,对合肥地区和北方干旱地区的大气湍流结构特性有了比较清晰的认识,为大气光学传输工程的应用和理论计算提供了参考.

在准确测量腔镜面形加工精度的基础上,通过光学模拟软件ZEMAX实现了氧碘化学激光器折叠虚共焦非稳腔的光学建模,利用光腔模型进行了腔镜面形误差对光束质量影响的研究以及腔镜失调对光束波前影响的分析,在空腔的情况下利用调腔He-Ne激光进行了光束质量测量实验.实测结果与建模数据基本符合,验证了该方法的可行性.

针对高功率掺镱双包层光纤激光器(DCFL)的热效应,由热传导方程并借助速率方程模型导出温度分布的解析解,研究了泵浦方式和泵浦吸收系数对DCFL腔内温度的影响.结果表明:温度沿径向的变化与轴向相比可以忽略;采用传统端面泵浦会导致DCFL局部温度过高,实际中应使用两端对称泵浦方式;而减小泵浦吸收系数虽可改善温度特性但会降低系统的输出功率.进一步分析得出,综合采用分段泵浦方式和不均匀泵浦吸收系数可实现温度分布和输出功率的最佳匹配.

采用耦合电子热传导方程的分子动力学方法,研究了飞秒激光辐照下金属Ni的熔化及蚀除动力学.分析了靶材内部温度分布特征及蚀除产物的构成,主要包含单个原子及大团簇.确定了断裂位置和蚀除开始的标志,即该处温度分布出现小的峰值,且粒子数密度急剧下降.模拟结果表明:强烈的蒸发及靶材内部所产生的拉应力分别是单个原子及大团簇喷射的机制.同时,深入探讨了激光诱导压力波的传播规律,预测了压力波的波速,约为4.97 km/s.将不同脉冲能量密度下的蚀除速率同实验数据加以对比,结果相差16%～20%.预测了熔深随时间的变化规律,基本随时间的延续而呈上升的趋势.发现过热现象的存在.

利用耦合波理论,分析了一种作为KrF准分子激光MOPA系统的振荡源-亚皮秒超短脉冲分布反馈染料激光器(DFDL)的输出模式,指出实际的分布反馈染料激光器工作在单纵模状态是周期性增益调制的必然结果.数值模拟结果表明,DFDL输出光谱出现多条谱线的精细结构或调制现象,这是由多个顺序相干脉冲产生的.可以利用这种光谱调制现象来控制激光器的泵浦强度,获得稳定的单脉冲.光谱测量结果表明,在2倍泵浦阈值左右DFDL能够获得稳定的单模单脉冲输出.

用电子束热蒸发方法镀制了Al₂O₃材料的单层膜,对它们在空气中进行了250～400℃的高温退火.对样品的透射率光谱曲线进行了测量,计算了样品的消光系数、折射率和截止波长.通过X射线衍射仪(XRD)测量分析了薄膜的微观结构,采用表面轮廓仪测量了样品的表面均方根粗糙度.结果发现随着退火温度的提高光学损耗下降,薄膜结构在退火温度为400℃时仍然为无定形态,样品的表面粗糙度随退火温度的升高而增加.引起光学损耗下降起主导作用的是吸收而不是散射，吸收损耗的下降主要是由于退火使材料吸收空气中的氧而进一步氧化,从而使薄膜材料的非化学计量比趋于正常.

用脉宽为60 fs、波长为800nm的fs激光辐照电荷耦合器件,研究了电荷耦合器件在fs激光作用下的失效问题.实验得到fs激光作用下电荷耦合器件的失效阈值为4.22×10^-3J/cm².这比ns激光作用下电荷耦合器件的损伤阈值低2～3个量级.对该器件进行显微观测,在光敏元上没有发现损伤,但在器件的栅极上发现了明显的激光引起的损伤痕迹.

在分析不同基质材料激光特性的基础上,结合钕玻璃放大系统的增益特性和△B分布特性,提出了在高功率激光装置的主放大级中,混合使用高增益激光玻璃和低非线性折射率玻璃的新思路,以期在降低非线性折射率的基础上提高激光装置在短脉冲的输出能力.用光传输程序模拟计算所得结果表明该方案能有效提高系统输出能力.在1 ns时,激光系统最大能量输出有30%～40%增长.

基于谐振腔失调灵敏度参量随腔长的变化关系,提出了一种衰荡腔,它是由共焦腔将腔长缩短为原来的0.73得到的稳定腔.根据光束传输规律和失调腔矩阵方法,以及光腔衰荡法测量原理和曲线拟合方法,建立了腔长、腔镜角度失调下光腔衰荡法的反射率测量模型.通过数值模拟,研究了这种稳定衰荡腔中,腔微小失调对反射率测量结果的影响,并与相同失调情况下共焦衰荡腔的测量结果进行了对比分析.结果表明,这种稳定腔用作衰荡腔,测量结果受腔镜角度失调影响较大,而受腔长失调影响小;其长度较短,便于工程应用;衍射损耗较小,测量精度高.

激光诱导损伤阈值作为一实验参量,对其结果作不确定度分析有利于激光工作者在某个精度范围内获知该参量的信息.从激光损伤和损伤阈值定义出发,分析了基于ISO11254的损伤几率测试法测试激光诱导损伤阈值的不确定度来源,包括激光能量测量、激光光斑有效面积测量、各能量密度处损伤几率的计算以及对损伤几率点进行直线拟合这4个方面.并利用统计学原理和线性拟合等理论对这4个方面引起的不确定度分量及最终测试结果的相对合成不确定度进行了计算.以1 064 nm高反薄膜样品为例,分析表明:损伤几率点的计算和几率图中损伤几率的直线拟合是损伤阈值测试结果不确定度的主要来源,当样品的损伤阈值为7.79 J/cm²时,这两种因素引起的相对不确定度可分别在4%和18%左右,损伤阈值的相对合成不确定度达18.72%.

基于传统速度干涉仪(VISAR)和光纤速度干涉仪(AFVISAR)的特点,提出了一种由光纤和光纤耦合器组成的工作波长为532 nm的新型全光纤速度干涉仪(NAFVISAR).该干涉仪采用多模光纤器件构成分离系统,单模光纤器件组成核心部分.由于有两路携带不同信息的光束经不同路径传输到耦合器中,当这两路光束满足干涉条件时,可利用它们的干涉场信息来调解出被测靶的信息,从而区分波面的加减速变化.用该系统进行了Hopkinson森杆一维应力加载下的入射杆端面的速度剖面测试,实测速度最大值为49.36 m/s,与理论速度的最大值50.16 m/s基本符合,实现了全光纤速度干涉仪的实用化.

以哈尔滨工业大学可调谐激光技术国家重点实验室中的Marx发生器的放电脉冲波形为基础,理论上模拟计算了在不同放电参数下充氩气的毛细管放电产生的等离子体状态和类氖氩离子3p-3s跃迁线的增益系数的时空演变过程.中心模型中,选取内径为3.1 mm的陶瓷毛细管并充入初始密度为1.07×10^-6g·cm^-3的氩气,电流脉冲峰值为27.81 kA,脉冲宽度为61.4 ns.改变放电参数进行模拟,结果表明:上升前沿越陡,则增益系数越大,电流脉冲上升时间在20～40 ns,电流峰值在25～40 kA,电流脉冲宽度在50～70 ns范围内,毛细管放电产生的等离子体状态比较理想,可获得较高的增益系数.

研究了载气组份、温度、压力以及微球直径和壁厚对液态空心玻璃微球在炉内运动状态的影响.结果表明:在用干凝胶法制备空心玻璃微球工艺的常用载气组份、温度和压力范围内,载气的组份、温度和压力对相同直径和壁厚的液态玻璃微球在炉内运动速度的影响小于8.3%,但载气组份和压力对液态玻璃微球运动雷诺数和韦伯数的影响很显著.玻璃微球的直径和壁厚是液态玻璃微球运动速度、雷诺数和韦伯数的重要影响因素.提高载气中的氦气含量或降低载气压力可以降低载气对液态玻璃微球的非球形化作用,提高载气温度可以降低其球形化的阻力.

采用线性吸收谱和二次谐波产生技术研究了温度对具有中心对称结构的稀土夹心双萘酞菁化合物LB膜光学特性及其LB膜结构的影响.研究发现,加热可以使其LB膜的结构及分子间的相互作用发生变化,并形成J聚集体,从而使得吸收峰发生红移.稀土夹心双萘酞菁化合物约在40℃时其二次谐波信号有一个极小值,约在65℃时该化合物发生相变,使得二次谐波信号产生极大值,二次谐波信号最小时温度可高达180℃,说明该化合物的化学结构较为稳定.

以ANSYS软件的有限元分析为依据对变形反射镜结构模型进行研究,探讨各主要结构参数及驱动电压对变形位移的影响.考虑静电驱动力、张力和空气阻尼衰减对变形镜回复过程的影响,建立一种复合参数模型来预测变形镜的瞬态行为.结果表明,驱动器的弹性薄板厚度、跨度和电极间距明显影响变形位移;驱动器的变形位移随驱动电压的增加出现稳定的非线性增加和不稳定的"拉入"现象;驱动电压撤除后镜面回复时间短,重复性好.

利用基于Marangoni界面效应对化学抛光去除函数的理论及实验进行研究,提出采用湿法化学抛光(刻蚀)方法为大口径高精度光学元件的加工提供新的解决途径.介绍了Marangoni界面效应及其验证实验,运用WYKO轮廓仪对熔石英基片局域刻蚀前后的粗糙度进行检测,结果表明,粗糙度基本无变化,刻蚀前后粗糙度分别为0.72 nm和0.71 nm.基于Preston假设,建立了数控化学抛光理论模型,运用WYKO干涉仪观察实验现象可知,化学抛光刻蚀曲线基本上成平底陡峭的去除函数曲线,小磨头抛光是倒置的仿高斯函数曲线.

通过MATLAB编程,实现了储能切换(stored energy switch)方式产生高功率微波脉冲瞬态响应过程的模拟.程序可用于研究微波压缩系统的功率增益、储能转换效率及脉宽压缩比等主要指标与系统开关耦合腔的固有品质因数、输入与输出耦合系数的关系;并可用于对工作频率失谐、"开关"导通前的泄漏及"开关"启动时间的影响等进行分析,输出瞬态响应过程图像.

首先讨论了自由空间中一维周期结构近-远场外推的Floquet模方法,即对FDTD计算所得散射近场中输出边界上散射场进行级数展开,求出各阶Floquet模的复数幅值,再求得远区场.接着介绍了求解一维周期结构远区散射场的周期Green函数方法,即根据FDTD计算所得散射近场中输出边界上散射场,求得等效面电磁流后,再借助周期Green函数进行外推得到远区场.两种方法均仅用一个周期单元内的散射近场进行外推.计算结果验证了上述两种方法外推的有效性.

研究了一种新型高功率微波相移器--同轴插板式相移器,其设计思想为:在同轴波导内插入金属导体板,将同轴波导分为几个扇形截面波导,由于扇形截面波导中传输的TE₁₁模相速度与同轴TEM模的相速度不同,通过改变插入金属板的长度就可以实现相移的调节.设计了中心频率为4 GHz的同轴插板式相移器,并进行了数值模拟验证.结果表明:当相移器同轴波导内半径为2.0 cm,外半径为4.5 cm,相移器总长度为50 cm时,可实现的最大相移量为360°,在3.9～4.1 GHz频率范围内相移器的插入损耗低于0.1 dB.

研究在高空核爆电磁脉冲(HEMP)的作用下,地面附近架高线缆感应瞬态电压、电流的传输线模型计算方法并进行比较.考虑到有耗地面的电气参数,列举了Agrawal和Taylor两种传输线理论模型的异同,应用格林函数求积分和叠加定理,分别采用两种模型,计算并比较了不同入射波和线缆布放状态下的电压、电流响应,以及各场分量(水平电场、垂直电场和水平磁场)单独存在时对电流、电压响应的贡献.结果显示,Agrawal和Taylor模型得到的电压、电流响应是一致的,可以考虑在有界波电磁脉冲模拟器中进行短线缆的效应实验;由于相同的场分量在不同的模型中对电压、电流响应的贡献并不相同,因此在阐述某一场分量对线缆响应贡献大小时,应该首先说明所采用的传输线模型.

讨论了由电单极子和磁振子组合而成的复合振子天线结构和工作原理,用时域有限差分方法模拟了天线的辐射特性,计算了天线从同轴线的馈电效率,对于单极脉冲和双极脉冲馈源,馈电效率分别为65%和81%.给出了天线的电压驻波比、辐射近场和远场、能量方向图等.模拟结果表明:在H面内辐射方向图是轴线对称的,其形状是心型;在E面内,方向图关于轴线不对称,辐射最大值方向向上偏离大约15°.这种天线具有宽带特性和较高的馈电效率,适合于超宽带电磁脉冲辐射的天线阵列的应用.

在高功率微波应用中,同轴线的阻抗匹配十分重要.通过同轴线内导体的渐变,可以实现阻抗变换与阻抗匹配.内导体渐变可以采用多项式、余弦、指数等函数形式.用时域有限差分方法计算同轴线的反射系数,以同轴线内导体渐变段的长度和反射系数达到最小为目标,采用遗传算法优化渐变段的结构参数,得到了反射系数为0.015、渐变长度为148 mm的同轴线阻抗变换结构.在一套具有16节点的Beowulf型并行计算机系统上采用主从式并行计算技术完成了计算,缩短了遗传算法搜索时间.最后计算和分析了该同轴线阻抗变换结构的带宽和微波功率容量,该结构峰值功率达8.734 MW.

通过数值模拟与理论计算,对TM₀₁-TE₁₁弯形圆波导模式转换器进行了分析,得出了TE₁₁模式的功率转换效率的解析公式.在保持其出射端口与入射端口轴线平行的情况下,通过减小波导内半径,从而减小波导轴线长度,实现了其结构的小型化设计.当转换器的两段轴线曲率半径相等时,理论计算结果与模拟结果相吻合,且功率转换效率高.优化结果为:波导内径为7.0 cm,模式转换器出射端口与入射端口的轴线间距为8.03cm,轴向长度为15.11 cm;频率在3.41～3.74 GHz内,功率转换效率超过90%,其中频率为3.60 GHz时,转化效率为95.6%.

介绍了"强光一号"加速器产生宽度约20 ns的高剂量率脉冲γ射线的工作过程;分析了短脉冲γ射线源二极管的管绝缘体和真空磁绝缘传输线的结构与绝缘性能;说明了等离子体断路开关的工作特性;阐述了二极管工作阻抗和阴阳极的设计原则与设计参数.给出了不同短脉冲γ射线源的实验结果,得到了3种辐射参数:脉冲宽度约20 ns,辐射面积为2,30和100cm²时,相应的辐射剂量率为10¹¹,0.7×10¹¹和10¹⁰Gy/s.

叙述了用高速摄影技术研究强流脉冲电子束与钽金属靶相互作用后靶材的回喷现象,得出了靶材回喷的速度.并且采用EGS4程序和Euler流体力学方程组分别模拟了电子束在靶内的能量沉积和束靶相互作用的动力学过程.实验表明,钽金属靶在强流脉冲电子束轰击下,回喷靶材的轴向速度大于2.9 mm/μs,而模拟结果表明理想情况下回喷靶材自由面的轴向速度可达9.7 mm/μs.实验和理论计算为阻挡回喷靶材的快门设计提供了必要的参数.

为了更准确地获得重复频率纳秒脉冲下气体击穿试验参数,分析了击穿电压、放电电流的测量及影响测量结果的因素等,并介绍重复频率下气体间隙击穿的耐受时间测量方法.信号测量传感器的响应带宽、间歇性存在的电磁干扰、气体间隙被击穿时瞬态高频振荡及地电位暂态升高等因素会干扰被测信号,甚至会导致被测信号局部干扰严重.采用软阈值小波降噪法可有效减小干扰.在测得分流器方波响应的基础上，采用Wiener滤波器反卷积补偿分流器输出信号的方法来校验分流器输出,结果表明分流器输出波形满足试验要求.

电子束真空二极管重复频率运行时,它将表现出与单次运行时不同的特点.在电子束产生过程中,屏蔽半径应尽可能地小,且击穿延时时间较短,故选择石墨作为阴极材料.实验结果表明:在重复频率运行时,当环型阴极环厚较薄时,阴极的发射电流密度较大,因此对阴极的加热效应也加强,等离子体的膨胀速度加快,从而使得二极管阻抗减小,最后几次输出的电子束的电流较大,而电压减小;当重复频率较高时,由于加热效应使得阴极等离子体膨胀速度加快,最后几个脉冲阴极发射能力增强,波形重复性变差;当引导磁场强度增大时,阴极等离子体受到较大的磁场力约束,横向膨胀速度减慢,从而使得电子发射面积减小,总发射电流减小,二极管的阻抗增大.最后取引导磁场为1.5 T,阴极环厚为1 mm,得到重复频率100 Hz、束压827 kV、束流8.22 kA、脉冲波形之间重复性很好的均匀电子束输出.

探讨了TLCODE传输线模拟方法的基本原理、求解方法及步骤,推导了传输线驱动电阻负载、静态电感负载和混合型负载三种典型负载时末端界面电压的表达式,用PSPICE构造一个电路模型,以静态电感负载的计算结果为例,对所介绍的TLCODE方法及推导的公式模型予以验算.结果表明,在计算负载电压时,TLCODE与PSPICE的最大偏差仅为0.2%,在计算电流时,最大偏差仅为0.1%.

介绍了合肥国家同步辐射实验室200 MeV电子直线加速器新型脉冲电子枪控制器的工作原理,以及I²C总线和嵌入式微控制器在电子枪控制器中的应用,详细分析了加热灯丝的数控电流源、引出电子束的数控电压源和脉冲电压源等模块的硬件实现,并给出了光纤通讯和后端微机控制软件的设计过程.该电子枪已成功应用于加速器的实际运行中,性能稳定,工作可靠,完全替代了以前的机械控制方式.

为了老炼国家同步辐射实验室200 MeV直线加速器新陶瓷窗,制作了一个功率增益4.5,最高峰值功率60 MW的波导行波谐振环.对谐振环的工作原理和技术参数进行了简单介绍.对陶瓷窗功率老炼的步骤和应注意的技术细节进行了较详细的分析,提出了克服电子倍增效应的一些方法.陶瓷窗老炼峰值功率为30 MW,平均功率3.7 kW,脉冲长度2.5 μs.

合肥光源二期工程改造的电子储存环调试过程中,发现多束团存储和运行时存在耦合束团不稳定性,严重地限制了注入的最高流强,并且影响了光源运行的质量.通过过正地增大正色品以及在储存环上插入八极磁铁,基本上抑制了横向的耦合束团不稳定性,保证了稳定注入束流300mA的技术指标.

响应矩阵反映了束流位置监测器(BPM)位置处观察到的束流在校正铁磁场空间中的运行规律.根据电子储存环理论模型,采用迭代方法从实测响应矩阵计算束流横向振荡的振幅函数和相位.计算结果的精度主要受响应矩阵测量误差、BPM测量误差和校正铁电源刻度误差影响.计算响应矩阵的误差代表了迭代所采用的工作点的正确度,实际的工作点对应于计算响应矩阵的最小均方差,以此可推导实际的工作点.

在解释CMOS器件辐射感应的闭锁窗口现象时,提出了所谓的"三径"闭锁窗口模型.在分析CMOS器件闭锁电路模型的基础上,简要介绍了"三径"闭锁窗口模型的有关情况.为了实验验证该模型,设计了实验电路以模拟CMOS器件的寄生闭锁路径,给出了相应的参数."强光Ⅰ"瞬时伽马辐照实验显示,实验电路像预计的那样出现了闭锁窗口.这说明,用"三径"模型解释某些闭锁窗口现象是合理的.

时域电场积分方程是研究电磁辐射及散射等问题的重要方程.在数值计算中,该方程方法只需将散射体进行剖分,而不必将剖分推至整个计算域内进行,计算效率较高.将时域电场积分方程方法引入到电磁脉冲作用下架高屏蔽电缆蒙皮电流的计算中,研究了电缆的蒙皮感应电流分布及波形特征.通过与辐射波电磁脉冲模拟器的实验结果的比对,证明了数值结果的可靠性.