用有限差分方法求解Maxwell和Bloch的联立方程,计算得到共振介质中超短光传播的时空特性.结果表明,在考虑空间效应时,峰面积为2π的超短光脉冲不再以孤子的形式传播,光场的形状将发生变化,变形的程度和光与物质相互作用的强度有关:强度较小时,光场包络在时间和空间两方面都展宽;强度较大时,则发生分裂.光与物质相互作用的强度与光场大小、光场频率、偶极矩、失谐以及共振粒子浓度等因素有关.

介绍了利用Nd:YAG激光的三倍频激发自发振动喇曼散射技术对燃烧场的诊断及相关的实验原理,测量了不同配比条件下的CH₄-air预混火焰内的主要组分(N₂,O₂,H₂O,CH₄)及其相对浓度;并分别用分子浓度测温法和斯托克斯谱与反斯托克斯谱强度比法测量了火焰的温度;还对该技术测温、测浓度的不确定度进行了分析.将该技术应用到对复杂的固体燃剂燃烧场的诊断,取得了燃烧场中几种主要燃烧组分(N₂,H₂CO,CH₄,H₂O)的喇曼光谱,以及这些组分在燃烧过程中的变化信息.

对高斯光束的准直进行了理论分析,用干涉法检测所制作的准直透镜的波像差,达到了精密光学系统像质的要求.组装实验系统装置进行实验数据测量与处理,利用光功率计测量得到最大光功率一半处所对应的光斑尺寸,能确定出激光远场发散角.实验测得最大光功率后平均值为27.89 nW,光斑半径之差的平均值为6.33 mm,算得光束最小发散角为0.315 mrad,从而验证了准直系统能达到所需0.4 mrad的技术指标.

在非局域克尔介质中,光束的演化规律服从非局域非线性薛定谔方程.用变分法对此问题进行了重新表述.在强非局域的情况下,通过对介质响应函数进行泰勒展开,可以解析地表示变分问题.束宽的演化规律也可以定性地从光束束宽变分势得出.运用瑞利-里兹方法求解其变分方程,分别求出光束在自散焦和自聚焦介质中的变分解.对于自聚焦介质,当输入功率为某一特定值时,可以得到空间孤子,其束宽在传输过程中保持不变.通过与其他方法得到的解比较表明,变分法是解析讨论光束在非局域非线性介质中演化规律的方法之一.

建立了较完整的高功率激光装置总体设计的评估指标体系,并运用多目标决策理论和加权综合法,初步建立了多级综合评估数学模型,以期对复杂激光装置的总体设计做出较客观的分析评价,选出合理方案;最后利用所建立的数学模型对目前四种高功率激光装置设计结构的技术性和经济性等方面进行了初步综合评估.评估结果表明,多级综合评估模型较合理,对系统总体优化设计有重要的指导作用.

采用MCVD方法研发了掺镱双包层光纤,并对其结构特性、荧光特性和激光特性进行了测试和研究.其D形内包层尺寸为400/450μm,数值孔径为0.36,纤芯直径约为16μm,数值孔径约为0.18.荧光谱线的范围为1 000～1 140 nm,1 030 nm处的峰宽大于50 nm.采用大功率激光二极管单端泵浦6 m长的双包层光纤,在泵浦入纤功率为61 W时,获得了32 W的激光输出,斜率效率为64%.该光纤在高功率处未发现饱和现象,通过优化光纤参数与泵浦方式还可以提高转化效率和输出功率.试验表明该光纤可以取代进口光纤用作高功率激光器件。

采用溶胶-凝胶工艺制备了聚乙二醇(PEG)改性SiO₂单层增透膜,用输出波长1.06μm,脉宽3ns的调Q激光系统产生的强激光进行辐照实验.观察了添加PEG前后的膜层的微结构、表面形貌以及激光损伤行为的变化,讨论了PEG对薄膜激光损伤行为产生影响的机制.结果表明:添加的PEG可以修饰、导向溶胶簇团的生长和交联,并使之有序,由此制备的薄膜结构规整,微缺陷减少,这就提高了膜层的激光损伤阈值;在激光辐照过程中,膜料吸收激光能量,膜层温度升高,膜层的PEG分子受热逐步分解挥发,膜层产生损伤.

从速率方程出发,建立了单点侧向泵浦掺Yb³⁺双包层光纤激光器的理论模型并进行了数值分析,得到了泵浦光方向分别为正向、反向、双向时,光纤内泵浦光和激光功率的分布特性及输出功率与泵浦点位置的变化关系.结果表明,相对于泵浦光正向或反向传输,当泵浦光双向传输时,光纤中的激光功率分布和输出激光功率受泵浦点的位置影响较小,对于侧向泵浦的双包层光纤激光器是较好的选择.

新近研制的车载式双波长米散射激光雷达可用于1 064 nm和532 nm两个波长对白天与夜晚对流层气溶胶消光系数垂直分布进行的探测.该激光雷达由激光发射单元、接收光学和后继光学单元、信号探测和采集单元以及系统运行控制单元组成,后继光路之间采用光纤导光、高低层分层探测等关键技术.该激光雷达使用1 064 nm和532 nm的两个波长,其单发脉冲能量分别为400和300 mJ,重复频率都为20 Hz,光束发散角小于0.5 mrad;望远镜接收视场为1～3 mrad,滤光片的中心波长为1 064 nm和532 nm,带宽1 nm.分别使用R3236及H7680的PMT和VT120及Phillips777的放大器对两个波长的信号进行探测;对532 nm波长用3 A/D采集卡、1 064 nm波长用了光子计数卡.给出了双波长测量对流层气溶胶消光系数垂直分布的结果,该激光雷达可以探测10^-5～1之间的消光系数,探测高度可达10 km以上.

采用有限元方法数值模拟在连续激光辐照下旋转柱壳温度场的变化和分布情况,并分析了热性能参数对温度场造成的影响,同时还比较分析了不同旋转频率对柱壳温度场分布的影响.结果表明,激光作用下旋转柱壳的温升大大低于静止柱壳的温升,外表面温度呈现出与旋转频率相符的周期性上升过程,而内表面温升由于热传导的原因在较小频率下才表现出这种周期性,当频率增大到一定值时,内表面温升不出现周期性的台阶而是曲线上升.

对重复脉冲泵浦的管状YAG激光器的3维温度分布进行了深入研究,计算模拟了管状介质在不同时刻的3维动态温升分布.计算结果表明,泵浦初始阶段,介质中各点的瞬态温升均随泵浦脉冲个数呈锯齿形增长,最大温升点的位置由介质内壁随时间逐渐向介质内部移动;经过大约490个脉冲泵浦后,介质内的瞬态温升最终随时间呈重复周期性变化,最大温升点将不再移动.当温升分布呈重复周期性变化后,激光管中心部分的温升较大,内外壁的温升较小,且外壁温升低于内壁温升.

用一维相对论粒子模拟研究了相对论超短强激光脉冲在等离子体中传播时激发的尾波场,初步获得了近共振区尾波场的峰值幅度随激光脉冲宽度变化的特点,发现在近共振区等离子体波激发出现增强.通过准静态近似下尾波激发的一维非线性方程数值求解,并与粒子模拟结果比较,得到了该非线性方程的适用范围:当激光脉冲宽度小于等离子体波波长的4倍时,该方程所得结果与粒子模拟结果一致;而当激光脉冲宽度大于该数值时,该方程不再适用.

利用强激光场电离和离解分子来研究分子激发态的波包结构是强场物理的重要研究方向.利用短时指数传播子对称分割法和快速傅里叶变换技术,数值求解了一维含时Schr?dinger方程,探讨了双色激光场中激光的基波和谐波强度之间的不同配比以及脉宽对线性多原子分子离子电离的影响.理论计算结果表明:基波和谐波的相对相位为π时,尽管随着激光的基波和谐波强度之间配比的变化,电离几率随原子间距变化的趋势基本保持不变,但在一定的激光基波强度下(1.2×10¹³～1.2×10¹⁵ W/cm²),激光基波强度的变化可以明显改变电离几率随原子间距变化的趋势.另外,激光脉冲的持续作用可以增强分子的电离,取原子个数为5,基频光波长为800nm,基波与谐波的强度配比为4,频率配比为2,当其作用时间达到75 fs时,电离基本接近饱和.采用外静电场电离模型能够合理地解释这些现象.

详细论述了掺溴聚-4-甲基-1-戊烯(PMP)低密度泡沫的制备方法与性质测量.以PMP为泡沫骨架材料,均四甲苯/萘为溶剂,六溴苯为掺杂单体,利用热诱导倒相法制备出密度20～60 mg/cm³的掺溴低密度泡沫.在理论密度为50 mg/cm³时掺杂溴原子最大质量分数可达58.91%.利用扫描电镜观测泡沫结构表明:聚合物泡沫均是一种"叶片"状开放的结构,"叶片"的大小依赖于聚合物掺杂量的多少.随着掺杂量的增大,可供形核-长大的晶核也逐渐增多,最终得到的聚合物"叶片"较小.整个体系中密度分布是较为均匀的,掺杂单体在整个聚合物体系中基本不存在沉降的趋势.整个泡沫体系在低温区未出现较大的失重,溶剂的脱出较为完全线.

采用20 μm的狭缝配平面晶体谱仪构成空间分辨光谱测量系统,对Al激光等离子体的K壳层发射谱进行测量.利用Al的Ly-α线谱的翼部Stark展宽效应推得电子密度空间分布轮廓,建立了翼部Stark展宽法测量高密度等离子体电子密度的诊断技术.

设计制造了含特定组分的化学药剂,利用热力学方法对其在大气中燃烧所产生的等离子体的电子密度进行了理论计算,对该等离子体对2～15 GHz波段微波的透射衰减和反射进行了测试.测试结果表明,该等离子体对该波段微波具有宽波段强吸收和弱反射性能,波段内的平均吸收大于25 dB,反射信号几乎淹没在背景噪声中.并从理论上分析了带电子与中性粒子的造成这一现象的主要原因是碰撞吸收.

叙述了四极质谱(QMS)的结构和气体分析质谱(GAM)的定量分析工作原理.四极质谱具有快速扫描响应,较高的响应灵敏度的特点,在经过标准气体校准后,加上独特的气体进样系统,可用于惯性约束聚变(ICF)靶丸内混合气体组分含量及总量的定量分析.同时,在经过坐标尺度放大等手段,可以对混合气体中质量数极为接近的氘(4.028 2)和氦(4.002 6)在高分辨模式下进行基线分离.用四极质谱对各种靶丸结构、不同混合气体种类的气体进行了定量组分分析,为ICF实验用靶提供了同批次实验数据.

由于X光量热计具有体型吸收、线性响应及抗电磁干扰能力强等优点,可用于对激光等离子体辐射的X光总量测量.介绍了X光量热计的原理和结构,量热计主要由吸收体、热电堆、恒温体和外壳4个部分组成;量热计吸收体接收X光能量后,在瞬时内温度迅速上升,同时又通过热传导或辐射而损失能量.电加热法作为X光量热计的传统标定方法,标定结果不可靠.为此采用经过绝对标定的XRD阵列谱仪(SXS)对X光量热计在神光-Ⅱ装置上进行了在线绝对标定.结果表明:X光量热计性能稳定,其灵敏度为(84.1±3.4)μV/mJ,X光能量测量的相对合成标准不确定度约为31%,可用于X光定量测量.

为实现玻璃微球与载气之间传热过程的定量控制,建立了玻璃微球与载气之间的热传递模型,研究了载气组份、温度、压力以及微球直径和壁厚对玻璃微球与载气之间传热过程的影响.结果表明:在干凝胶法制备空心玻璃微球工艺中常用载气组份、温度和压力范围内,载气温度和压力对玻璃微球与载气之间传热阻力的影响都可以忽略,但载气中的氦气含量对微球与载气之间传热阻力的影响很显著.随着微球壁厚的增大,玻璃微球与载气之间传热阻力显著增加.因此,改变载气中的氦气含量可以作为控制微球与载气之间传热过程的有效方法,并且随着微球壁厚的增大,提高载气中的氦气含量对增强载气与微球之间传热性能的作用逐渐增强.

给出了自洽非线性大信号理论分析方法,在理论分析和高频计算的基础上,建立了回旋速调管放大器注-波互作用计算模型,对其进行数值计算.研究多种参量对放大器输出功率、增益、效率等的影响,通过优化得到了中心频率34 GHz的四腔回旋速调管放大器设计方案.粒子模拟表明:在工作电压65 kV,注电流8 A,电子注横向与纵向速度比为1.5时,输出功率230 kW,带宽230 MHz,电子效率45%,饱和增益33 dB.

动态级联型爆磁压缩发生器由多级构成,后一级俘获前一级的磁通进而将能量放大.用镜像电流法计算装置等效电感和电阻,用磁通俘获模型计算两级间磁通耦合,并假设损耗电阻正比于直流电阻.用该等效电路方法计算了一种两级动态级联型爆磁压缩发生器的静态和动态电路参数,并对其输出电流波形进行了模拟,同实际测量和实验结果进行了比较,同时对该装置通过脉冲变压器对脉冲形成线的充电过程进行了简单的模拟计算.结果表明,该计算方法对级联型爆磁压缩发生器的优化设计和应用研究具有较好的指导作用.另外两级磁通俘获模型对于间接馈电(线圈或永磁体)装置模拟计算也有一定的参考价值.

设计了一种能工作在低磁场高功率的慢波器件,该器件通过谐振腔将切仑科夫振荡器与锥形放大器有机地结合,充分利用电子的能量,实现了高效的微波产生.给出了初步的实验结果,在束流电压450kV,电流2.3 kA,导引峰值磁场0.6T的情况下,得到230 MW,频率为10.33 GHz,模式TM₀₁的微波输出,效率达到23%.实验结果与粒子模拟结果基本吻合.

采用远场测量法测量了虚阴极振荡器波导口的微波辐射方向图及虚阴极振荡器波导口处接上TM₀₁-TE₁₁模式转换器时的微波辐射方向图,接收喇叭口面与微波辐射口之间的距离为1.00 m,满足远场条件.结果表明:两种情况下的辐射主模式分别为TM₀₁模式和TE₁₁模式,从而证实了在实验装置轴对称的条件下,轴向虚阴极振荡器的微波辐射主模式确为理论所预期的TM₀₁模式.对辐射模式的分析表明,TM₀₁模式纯度约为90%,TE₁₁模式的辐射功率为TM₀₁模式的5%左右;TE₂₁,TE₀₁和TM₁₁模式三者的总辐射功率较TM₀₁模式低一个量级以上,微波辐射功率大于300 MW,辐射频率为4.6 GHz左右,微波脉宽大于40 ns.

从理论上分析了渐变式传输线阻抗变换的反射与频率的关系,进而分析了同轴到平板过渡的电压驻波比关系式;用3维FDTD方法动态模拟了瞬态脉冲信号在同轴到平板过渡中的传输过程,分析了信号在过渡中的损耗,设计了具有高功率容量的渐变式同轴到平板过渡和TEM喇叭天线,对渐变式同轴到平板过渡的反射和带过渡结构的天线方向图进行了测量.实验表明瞬态脉冲信号经过同轴到平板过渡没有产生畸变,适当选择过渡长度可使脉冲传输效率大于85%.实验结果验证了理论和数值模拟的结果.

开发了一种磁绝缘传输线(MITL)的电路模拟方法.以传输线模拟方法TLCODE为基础,将MITL分成若干段有损传输线单元,每个单元由一段无损传输线及一个对地损失电阻组成.根据磁绝缘准则判断单元的磁绝缘状况并计算相关参量,推导丝阵负载条件下MITL末端界面电压的表达式,阐述模型的求解方法及步骤;用有损线模型计算阳加速器MITL得到的结果与实验结果基本吻合,表明模型正确有效.

简要阐述了脉冲变压器型重复脉冲强流电子束加速器CHP01的组成、主要特点及工作原理,利用设计的重复脉冲强流电子束源进行了长时间运行实验研究,实验结果达到:在100 Hz重复频率下连续运行5 s,脉冲变压器能稳定输出电压1.15 MV,强流束二极管输出电压超过800kV、束流7 kA、脉冲宽度45 ns,阴极电子发射密度超过10 kA/cm²,且运行稳定可靠.利用该电子束源进行了X波段类周期慢波结构微波器件实验研究,在50 Hz重复频率下连续运行5 s,输出微波功率超过1 GW,脉冲宽度大于25 ns.

研究了反应堆中子和γ射线综合辐照环境下CMOS工艺大规模集成电路的电离辐照效应.通过对80C196KC20和PSD501B1两种不同芯片在该环境下开展综合辐照试验,发现总的静态电流增长不明显.对试验结果综合分析得出:在反应堆的综合辐照环境下,中子电离效应较弱,并且由于中子位移效应引起载流子迁移率降低和载流子浓度降低,使得总的静态电流下降,从而抵消中子和γ射线综合电离导致的静态电流增长.

采用水介质同轴电极实验装置,开展了μs级充电加压水介质击穿实验研究,并对实验结果进行了分析和讨论,结果表明:在水介质正电极击穿类型的实验中,常压下水介质击穿场强与Martin公式吻合.加压水介质击穿场强随静压的增加而增加,其场强增幅与Mirza定性理论场强增幅的相对差别在5%以内.根据实验结果推导出了更为准确的水介质击穿场强随静压变化的关系式.对水介质加压,将压缩电极表面气泡,减少气泡数目,从而可以提高水介质耐高电压击穿能力.

开关静态工作特性通常会随放电次数的增加而发生某些变化.针对"强光一号"加速器工作初期、工作中后期和不稳定工作期的120只气体开关,在随机抽样的基础上进行静态实验,给出了三个不同阶段直流自击穿电压与气压的关系.根据0.08 MPa下工作中、后期开关连续80次的直流自放电电压,同时利用Gauss和Weibull概率统计模型,分别计算了不同电压下单只开关和系统的自放电概率.结果均表明,对于工作中、后期的开关,当气压为0.19 MPa时,在42 kV运行电压下,加速器上120只气体开关不发生自放电的概率大于90%,与实际运行情况相符,此时开关的动态放电时延为170 ns,抖动小于20 ns.

对工程上常用的几种小波进行了分析,通过比较选定双正交小波为纳秒脉冲信号分析的母波,根据纳秒脉冲放电时产生的电磁干扰的特点提出基于多尺度分析的时变软阈值法,并对纳秒脉冲信号进行去噪处理.用Matlab自带的doppler波形和方波发生器产生的上升沿小于1 ns的方波对此方法进行检验,结果表明时变软阈值法明显优于传统的固定软阈值法.

利用四极铁调制的方法可以改变工作点,测量工作点的改变,可以计算出四极铁位置的Beta函数值,这样测量得到的值是四极铁位置的平均Beta函数值.采用该方法在合肥光源(HLS)储存环进行了实验,四极铁电源电阻并联后,分流调制四极铁的电流,从而改变四极铁强度,对环上的30块四极铁进行Beta函数测量.以理论值为参考,对采用计算公式得到的结果进行了比较和分析,利用四极铁中心位置的理想Beta函数计算值和测量值作比较,结果表明:测量最大绝对差为2.741,平均绝对差为0.521;垂直方向的测量最大绝对差为1.711,平均绝对差为0.009,四极铁自身电流和分流电流的测量对Beta函数测量值误差的影响非常小.通过改进工作点测量系统,适当加大分流电流可以减小Beta函数测量误差.

阐述了一种新的实现高功率高重复率方波脉冲源的技术途径,利用高压快恢复整流硅堆把三个独立的方波脉冲合成为一个MHz重复率的方波三脉冲.通过合理的串并联设计,可以提高硅堆在高频脉冲下的反向耐压,并使硅堆通过的正向脉冲电流达到kA量级.方波三脉冲源输出指标达到了电压250 kV,脉冲电流10 kA,峰值功率2.5 GW,重复率1 MHz,脉冲上升时间约40 ns,脉冲平顶宽度50 ns.

为了研究瞬态电磁脉冲对PIN二极管的干扰,利用基于扩散漂移模型的基本半导体方程,采用半导体器件一维瞬态数值仿真的方法,对快上升沿阶跃电磁脉冲作用下PIN二极管中的电流密度和电荷密度分布的变化进行了研究,分别观察了正反偏电压脉冲作用下过冲电流的产生过程并进行了分析.分析表明,过冲电流是和PIN二极管在高频下的容性表现相关的,无论是在正电压还是负电压情况下,脉冲上升沿时间越短、初始正偏压越高,则过冲电流密度的峰值越高.

对法国试验客体(FTO)的3 m照相系统建模,利用Monte-Carlo方法模拟X光子输运过程,得到了系统的散射分布和系统器件对散射的贡献.结果表明:后保护锥是系统散射的主要来源,对于任意一点,后保护锥的散射占总散射的75%以上.FTO的散射主要是FTO外层材料和边缘的散射,这部分散射占客体总散射的90%以上.利用坡度准直器对系统散射严重的区域进行的降散射,表明坡度准直器是一个很好的降散射器件,能有效提高图像质量.

利用"阳"加速器对平行面多金属钨丝(直径φ17μm,丝间距1 mm,丝数3根或5根)负载进行了Z箍缩聚爆实验研究.在峰值为350 kA,上升沿约80 ns的电流作用下,使用针孔成像技术和X射线诊断技术,获得多钨丝等离子体融合图像及相应的软X射线辐射信号.对金属丝聚爆过程中负载电流变化对实验影响进行了分析,并探讨了引起聚爆过程中的等离子体柱腊肠型不稳定性、扭曲型不稳定性和"热点"及其周围弥散斑等现象的原因.

采用激光跟踪仪及配套带软件Insight对兰州重离子加速器冷却储存环主环磁铁进行了安装和准直.首先建立全局坐标系,用来确定从源体到实验环各子系统的理论原点的位置;而各个子系统又分别以各自的理论原点为基础建立局部坐标系,用来安装定位本系统内的各个元件;对各个子系统中的每一个元件还采用了元件坐标系.准直测量时,先在每块磁铁上焊接8个测量基准;然后对磁铁上的基准进行测量,以确定其在元件坐标系中的位置;再架设激光跟踪仪,测量主环控制网点,恢复主环局部坐标系,根据元件在主环局部坐标系中的位置及理论坐标,计算出相关的变换参数;转入元件坐标系,采用激光跟踪仪及Insight软件显示实时测量坐标及其与理论值之差,其精度达到0.15 mm.