固体热容激光器连续运转一段时间后,需要进行冷却,以进行下一次运转,因此冷却速度直接影响着热容激光器运转的效率和实用性.从热传导方程出发,以沉积热为内热源模型,利用有限元分析方法对激光二极管阵列从4个方向对称泵浦的板条Nd:GGG激光介质的温度场和和热应力场进行了数值模拟.并对冷却阶段分别采用过冷气体、水循环、喷雾、相变冷却方式时的介质温度和应力随时间变化过程进行了模拟.结果表明在相同条件下采用相变冷却方式能在较短时间内将介质冷却到初始温度.

为探索新的高能激光体系,搭建了二极管泵浦的液体激光器.采用激光二极管作为泵浦光源,单侧泵浦掺钕离子的无机激光液体,进行了出光实验.通过测量输出光束的近场分布、脉冲波形和光谱,证实实现了激光输出,输出激光的波长为1053 nm.输出的单脉冲激光能量达到47 mJ,光-光转换效率达到14%.其光-光转换效率高出闪光灯泵浦液体条件下2个数量级,说明该激光体系具有向高能激光体系发展的前景.

介绍了自行设计的钠共振荧光激光雷达系统,并对钠层密度、钠层柱密度、中心高度及均方根宽度进行了计算和分析.计算结果表明:从2005年12月到2006年3月合肥上空钠层变化显著,钠层柱密度从12月平均值5.4×109cm-2变化到3月平均值2.4×109cm-2,下降了50%以上.均方根宽度也下降,中心高度略有波动.合肥钠层的变化趋势与中纬度其它地区具有可比性.

利用光线追迹法和四阶龙格库塔法分析了光参量啁啾脉冲放大系统中实际展宽器和压缩器所带来的各阶色散,并将其代入放大过程数值模拟了脉冲变化的情况,讨论了压缩器光栅对表面不平行、刻线不平行、信号光强度、泵浦光强度等因素对输出脉冲宽度和时间波形的影响.结果表明,光栅对表面不平行将引起脉冲宽度变大,且光栅顺时针旋转对脉冲宽度和波形影响更大.而光栅刻线不平行时,当仅考虑二阶色散时,夹角为0.8°时脉宽最小,考虑到三阶色散时,夹角为1°脉宽最小,且光栅顺时针和逆时针旋转对脉冲的作用相同.对实际OPCPA系统,当放大晶体材料及长度一定时,尽量调整压缩器光栅平行,信号光强度和泵浦光强度有一最佳值能使输出脉冲宽度达到最小.

为了抑制分布式光纤拉曼温度系统的温漂和瑞利散射光窜扰反斯托克斯散射光,在传感光纤前端盲区后放置光纤取样环,用瑞利散射光解调反斯托克斯散射光及用光纤取样环的温度计算光纤线上其它点的温度,提高了系统的测温精度和稳定性.采用功率100 mW,波长1.55 μm,脉宽10 ns脉冲激光器和15 dB前置光纤放大器,100M14bitA/D转换卡及DSP作数字平均构建光纤拉曼温度系统的实验,实现了测温误差在±0.03 ℃内.

基于激光推力器喷管热烧蚀因素分析,初步提出了反射式和吸收式两种喷管热防护方法,并相应设计了两种喷管.以10 kW级脉冲式CO2激光器为光源,三次反射激光推力器为对象,进行了两种方式下两种喷管的热防护初步实验研究.结果表明:两种喷管均发生不同程度烧蚀,与相对聚焦位置和激光作用时间有关;反射式热防护通过喷管光学表面对透射激光能量进行二次聚焦,以及良好的循环冷却,可能成为将来激光推力器喷管热防护的备选方案之一.

总结了快速加热下金属力学性能温升率效应研究的有关工作和结果,包括二战刚结束的几年中美国的研究者采用材料宏观性能测试方法进行的研究和近十余年国内的研究者采用将宏观实验测试与材料微观组织观察相结合的方法进行的研究;指出在温升率效应方面应进一步进行更准确、系统的宏-微观实验和从时-空多尺度角度进行热-力-材料耦合的理论建模和数值模拟,获得更明确的规律性认识并归纳出工程可用的数学描述.

推导了激光辐照下转动壳体平均温度沿壳体母线方向分布的解析公式.由于对高斯功率密度分布光束无法得到工程上实用的结果,对公式进行了解析拟合,仅由一个具有实际物理意义的拟合系数--分布因子确定了解析拟合公式的形式,明确了温度估算公式中各项的物理意义.解析拟合公式计算结果与数值模拟结果较为一致.作为温升估算方法的一个应用实例,推导了转动充压柱壳在激光辐照下破坏时间的解析公式,与数值计算结果吻合得较好.

基于有效利用激光能量的目的,采用有限元分析方法分析并比较了重复频率和连续激光对旋转壳体的加热效率.数值计算结果表明:重复频率激光要比连续激光的加热效率高,而且加热效率与重复频率、占空比等有关;在平均功率密度相同的前提下,在频率相同条件下,占空比减小,温度上升加快,即加热效率随占空比的减小而增大;在相同占空比条件下,重复频率越小温度周期变化越明显,振荡峰值越大,当占空比较小时随着辐照时间的增加重复频率对加热效率影响减小.

通过分析LD阵列端面泵浦片状放大器的工作特点,建立了对增益介质Nd:YLF进行热特性研究的有限元模型.针对泵浦能量空间均匀分布、高斯分布、超高斯分布三种情况,计算出了LD泵浦功率56kW,脉冲宽度520μs,重复频率10 Hz状态下晶体瞬时3维温度和热应力分布.研究结果表明:由于脉冲工作方式,晶体各节点温度随时间呈锯齿形变化,经过一段时间后吸热和冷却效果达到平衡,介质温度呈周期性变化;在相同泵浦峰值功率条件下,超高斯泵浦能量分布引起的温升和热应力最小,其最大值分别为103.3 ℃和47.6 MPa;有效泵浦功率密度达到10 kW/cm2量级时,介质极可能发生热致断裂.

分析了激光在气体中传输时采用等压近似线性方程求解流场密度分布的优缺点,在高低速流场统一计算模型的基础上提出了基于压力原变量的分步求解的弱可压缩流计算模型,并分析了该模型的特点.采用该模型结合标量衍射理论对连续激光在封闭充气管道中受到的气体热效应影响进行了数值仿真.仿真结果与实验结果的对比表明,弱可压缩流计算模型能更精确地反映非自由边界热对流对气体密度分布的影响,进而反映流场对光束的影响.这说明弱可压缩流计算模型能较好地适应内通道光传输问题的仿真研究.

讨论了光纤光栅法布里珀罗(F-P)标准具选模光纤激光器的单频运转原理,并研制了全光纤结构单频掺Er3+光纤环形激光器.实验中采用两个976 nm激光二极管双向泵浦作为泵浦源,高掺杂浓度掺Er3+光纤作为增益介质,以行波腔消除空间烧孔效应,利用光纤光栅F-P标准具窄带选模特性,当泵浦光功率为36 mW时,得到了稳定的单频激光输出.实验中使用了长5和3 m的掺杂光纤,在泵浦光功率为145 mW时输出功率分别为19和42 mW,光-光转换效率分别为13%和29%,斜率效率分别达到了16%和33%.输出谱线3 dB带宽0.01 nm,无跳模现象.

利用1维辐射扩散方程的解析理论,在外加辐射源为恒温源的条件下,对能够产生辐射超声速扩散传输的条件进行了研究,可以解析地得出在固定物质密度下能够产生超声速扩散流的参数区域.分析得出:对于一个固定的恒温外源,随着时间的增加,热波波头位置是随时间的平方根增长的,光学厚度正比于波头位置,也是随时间而逐渐增加的;而马赫数是按时间平方根倒数减少的.并推导出在不同密度下恰好产生超声速扩散时,辐射源温度和辐射热波波头位置满足的临界值条件,它们是关于介质密度的函数关系式.最后以SiO2泡沫为算例,对这些结果的物理图像做了简要的阐述,对它们的应用进行了具体的说明和分析.

采用高温气体(等离子体)电离度的一种近似计算方法,以及具有五阶精度的广义Godunov差分格式加权本质无振荡格式,给出了高温气体状态方程的简便描述,并考虑激光与等离子体的相互作用和能量耦合模拟了强激光与固体靶相互作用时激光支持靶面等离子体流场的动态物理过程,并同理论模型结果进行了比较.结果表明:不考虑2维膨胀效应的理论模型结果比2维数值计算结果偏大,但两者只有接近一倍的差距,并无数量级的差别.考虑了膨胀效应的2维数值计算结果是可信的.

根据在大型高功率固体激光装置中自适应光学技术的应用研究,将变形镜置于腔镜位置,有利于提高自适应光学系统的校正动态范围.基于变口径90°翻转四程放大系统的光路特点,从理论上比较完整地解决了四程放大系统腔镜位置变形镜面形解的存在性问题,并对口径变换比值(缩束比)与面形求解之间的关系问题进行了数值模拟,结果表明:只要缩束比小于1,对应系统连续波前畸变的腔镜位置面形解是存在的,且随着缩束比减小,解的收敛性增强.

2005年夏季在山东滨州进行了以人工引发雷电为主的综合观测实验,在负电场环境下,成功引发雷电5次,其中传统引发方式3次,空中引发方式2次.详细分析了双向先导小回击过程和箭式先导回击过程的垂直电场变化特征.结果表明:2次空中引发雷电的双向先导发展过程在地面60 m处产生的电场变化为4.70～14.60 kV/m,呈负向变化;在550 m处为0.11～0.16 kV/m,呈正向变化.利用60 m处的先导电场变化,估算双向先导电荷线密度分布的斜率为(1.2～3.8)×10-7 C·m-2.箭式先导回击电场变化波形呈不对称V形,V形的底部对应先导的结束和回击的开始.60和550 m处的箭式先导电场几何平均值分别为17 80和1.20 kV·m-1.随水平距离的增加,箭式先导电场以水平距离的-1.18次方衰减.

基于有损耗的Lorentz模型的时域有限差分(FDTD)方法,模拟了有耗左手材料(LHM)平板对波源的图像聚焦特性.分别计算了不同宽度的左手材料平板结构.通过比较说明电磁波在不同厚度左手材料板中传播方式相同.材料板越薄,其聚焦点的位置越往板边缘靠近.当左手材料板的厚度不满足聚焦尺寸时,该聚焦点将会消失.

用数值模拟的方法研究了多注速调管π模双间隙腔加载截止波导两节滤波器型输出回路的特性,并重点研究了π模双间隙腔与截止段的耦合结构对输出腔间隙阻抗频率特性的影响,以及耦合接头和电容性销钉对截止波导滤波器的调谐作用.研究结果表明:π模双间隙腔连接截止波导段的耦合口的尺寸主要影响输出腔的外观品质因数,而耦合接头的粗细和电容性销钉的大小和插入深度对截止波导滤波器的调谐具有重要影响.另外,由于耦合接头相当于在截止段中引入了一个附加电感,这使滤波器谐振电路的品质因数变大,谐振峰变窄.因此,π模双间隙腔加载截止波导滤波器型输出回路并不比单间隙腔加载截止波导滤波器型输出回路有更好的带宽优势.

讨论了粒子模拟中用时域有限差分(FDTD)法设计波导激励源的常见问题,并根据波的传播特性,提出一种模拟波导激励源的新方法,给出通用的计算公式,讨论了几种特殊情况下的算法修正.给出了2维柱坐标系下磁绝缘线振荡器(MILO)计算实例,结果表明:该方法能模拟较为复杂的波导激励源,并有效消除了激励源边界处的虚假反射,与传统波导激励源模拟方法比较,验证了该方法的正确性与优越性.

对70 GHz二次谐波倍频回旋速调管高频结构和电子与波互作用进行了研究.研究了TE02模腔体绕射品质因数及模式转化,解决了二次谐波倍频回旋速调管漂移段不能截止70 GHz的TE01模而引起的腔体间高频串扰的问题.分析了注电流、输入功率、电子横纵速度比和电子注引导中心半径等参数对输出功率、增益和效率的影响.针对二次谐波回旋速调管放大器工作频带窄、效率低,进行了高频结构优化设计,显著地展宽了工作频带,提高了互作用效率.在理论分析和高频计算的基础上,建立了注波互作用PIC(粒子模拟)模型,进行了粒子模拟计算和优化,得到了70 GHz 的二次谐波倍频四腔回旋速调管放大器设计方案.粒子模拟结果表明:在工作电压70 kV,注电流13 A,电子注横向速度与纵向速度比为1.5时,中心频率69.81 GHz输出功率256 kW,带宽160 MHz,电子效率28%,饱和增益大于44 dB.

利用基于虚边界元法的VBGUN程序和基于边界元法的MOM程序,对一折叠波导毫米波行波管的电子光学系统进行了设计.设计过程中使用计算相关性系数的方法调节参数,通过计算敏感性系数以考察加工误差带来的影响.设计过程显示:低导流系数、小束腰、高压缩比的毫米波电子枪的层流性与电极尺寸相关性很大,易受到加工误差的影响;聚束系统的设计难点在于轴上峰值磁感应强度要受到漂移管半径的限制,这一点可以通过提高工作电压和降低电流来平衡,因此它的设计必须与慢波结构的设计同时进行.

建立了1维非稳腔空间增强探测CARS实验系统,该系统由光源(YAG激光器、染料激光器)、实验光路和信号采集系统组成.分别测量了空气和化学平衡比为1,甲烷流量为0.7 L/min的甲烷空气预混火焰中的氮气Q支的CARS实验谱.给出了火焰不同高度处小范围内的温度分布结果,并对实验结果进行了分析,结果表明:预混火焰温度随高度的增加呈下降趋势,测量结果的不确定度优于7%.该技术可用于稳态燃烧场温度的测量.

从理论上对实心电子束和空心电子束激励轴向虚阴极振荡器产生高功率微波的情况进行了比较分析.通过数值计算比较了在相同的结构参数条件下输出微波功率的大小.分别讨论了在激励TM01和高阶TM02,TM03模式时电子束半径的优化值.用KARAT软件进行粒子模拟初步验证了数值计算的结果.数值计算和粒子模拟结果均表明:要在轴向虚阴极振荡器中有效地激励TM01主模式,应采用实心电子束;而空心电子束则在激励高阶TM0n模式时,可能更为有效.

用数值计算的方法计算了S波段磁绝缘线振荡器(S-MILO)的主慢波结构谐振腔的π/4模、π/2模、3π/4模和π模的谐振频率,分别为1.40,2.21,2.46和2.51 GHz;计算出S-MILO封闭腔中的谐振频率依次为1.26,2.04,2.42和2.53 GHz,并计算了本征π模时的 Q 值.通过监测宽带激励源响应计算出S MILO开放腔的谐振频率为2.43 GHz.对S MILO开放腔传输特性研究表明:频率为2.25～3.05 GHz的微波,在第一腔内得到了有效抑制,输出微波的频率范围为2.2～2.5 GHz.通过对其传输特性进行研究,验证了S-MILO的高频电磁结构的合理设计.

利用球矢量波函数的线性组合导出了球壳并矢格林函数;使用并矢格林函数方法,取5阶、球面波半张角8°、口面半径0.2 m、频率为10 GHz的高斯场,分析了半球壳型输出窗在束腰分别取0.2,0.3,0.4,0 5,0.6,0.7,0.8情况下对高斯口面场远场辐射图的影响.分析表明:当束腰较小时(取0.3,0.2),半球壳型输出窗对高斯口面场的辐射图影响较小;当束腰较大时(取0.8,0.7,0.6),辐射图的旁瓣升高,主瓣变窄,反射场对口面场的影响较大.半球壳型输出窗适用于束腰较小的高斯馈源,对于束腰较大的高斯馈源则不适用.

分析讨论了双极性流对平面二极管发射电流的影响,并利用PIC程序对平面二极管中的双极性流问题进行了数值对比.在此基础上模拟研究了具有径向发射特点的低阻抗高功率微波器件MILO中的双极性流问题.结果表明:双极性流的出现使器件偏离最佳工作点,使输出功率和效率降低,电压越高,器件偏离最佳工作点就会越远,当电压高到一定值以后会使器件的工作点移至B H曲线以下,器件处于过绝缘状态,不能正常工作.

三折螺旋波纹波导使TE11模和TE21模相互耦合,其色散曲线能够在宽频带内与电子回旋共振,因此需要对色散方程进行研究.提出了适合工程实用的行波模式和返波模式的色散方程,并对方程中的耦合系数进行了简化,误差在1%左右.利用CST软件的VBA语言对螺旋波纹波导进行建模和计算,根据模拟得到的传输特性曲线的特点,提出一种模拟方法,将模拟与理论计算得到的色散曲线作对比,误差在5%左右.

运用微波等效电路(微波网络)的方法,研究了大功率速调管矩形波导输出窗的转移矩阵,根据微波无反射条件求解窗的最佳尺寸.利用3维电磁场计算软件ISFEL3D进行精确模拟.将微波等效电路方法的计算结果与ISFEL3D的模拟结果和实验结果相比较,得出结论:运用微波等效电路方法对矩形波导输出窗进行设计,理论较为简单,编程容易实现,计算速度很快,便于参数调整,且计算结果与实际测量误差较小,适合应用于速调管矩形波导输出窗设计的初步阶段.

提出了一种过模复合器件.自洽地导出了由外电磁信号和预群聚电子束同时驱动的一种过模复合器件的辐射波相位锁定方程;讨论了到达锁相运行的时间、频率移动和带宽.分析表明:当由预群聚电子束和外电磁信号同时锁相时,通过调节参数,可以缩短到达锁相运行的时间,减小运行频率对要锁定的频率(外电磁信号频率)的移动和增大锁相运行的带宽.

设计了一种由TiN,Al,Fe和牺牲层构成的堆栈式催化剂层结构,采用微波等离子体化学气相沉积法实现碳纳米管阵列高速笔直生长.SEM和TEM结果表明,生长出来的碳纳米管为典型的多壁碳纳米管,长度和直径均匀,排列整齐并垂直于基底,生长速率大于5 μm/min,晶格缺陷少.场致发射测试结果表明:碳纳米管的发射阵列具有良好的电流发射稳定性,最大电流密度大于6 A/cm2.紫外光电子能谱法(UPS)测试出碳纳米管的功函数为4.59 eV,则相应的场致发射陈列的场增强因子大于1 400.

环境温度是影响电子束流轨道稳定性的重要因素之一,国内外大多数加速器实验室为此都建立了较为完备的环境温度监测系统和恒温空调系统.合肥光源(HLS)是第二代光源,全环闭合轨道垂直方向上要求稳定在100μm以内.为定量研究和分析环境温度对合肥光源的电子束流轨道的影响,建立了环境温度监测系统.着重介绍了环境温度监测系统的组成、辐射干扰问题以及数据分析方法.数据分析结果表明:环境温度与束流位置之间具有较强的相关性,垂直方向环境温度每变化1 ℃,束流位置变化10～20 μm.

设计了长2.2 m、直径0.40 m、工作电压400 kV、脉宽200 ns的螺旋线型水介质脉冲形成线加速器,并进行了实验研究.为消除输出脉冲的前沿上冲和后沿拖尾现象,分析了脉冲形成线中的连接段与螺旋线阻抗的不匹配对输出波形的影响.用高分子材料加工了内径为10 cm,外径为18 cm的高阻抗环套在螺旋线与主开关之间的连接段上,使这一段的阻抗与螺旋线阻抗接近,并使其电长度减小,消除了前沿上冲,减弱了后沿拖尾,得到了上升沿约18 ns、下降沿约40 ns的近似方波高电压脉冲输出.

用含Cn+和H+、加速电压250 kV、脉冲宽度70 ns、束流密度160 A/cm2的强流脉冲离子束辐照DZ4合金,辐照次数分别为2,5,10,15.实验结果表明:辐照后样品的表面出现了熔坑,多次脉冲辐照后样品的表面熔坑边缘模糊甚至消失.近表面存在厚1～2 μm的重熔层,晶粒较细,晶界模糊;熔坑周围富集Cr和Mo等元素;强流脉冲离子束辐照处理后DZ4合金的耐腐蚀性能明显提高,腐蚀速率下降,这是由于辐照减弱了由于晶界和晶粒本体的成分差异而引起的晶界腐蚀;同时离子束辐照后的DZ4合金在高温氧化时更容易形成一层连续的保护性氧化物,其主要成分是致密的Al2O3,使得DZ4合金的耐高温氧化性能也有所改善.

对目标表面的浮地导体边界的存在及其对单元气体放电过程所产生的影响进行了研究,针对导体边界条件,应用高斯定理和电荷守恒定律推导出这种边界条件的数值处理方法,得到了有界等离子体空间电势的数值分布.电场的数值计算表明,浮地导体的电势随着内部场的变化而变化,其大小介于两个电极的电势之间,对放电区域的电场分布产生较大的影响.对金属目标表面放电单元的放电过程的PIC-MCC模拟结果表明,浮地导体的存在能够改变放电空间的电场结构,形成不均匀场,有利于气体的电离和等离子体区域的形成,同时将使虚阳极所形成的电势平台在边界附近下陷,导致等离子体壳层的厚度变小.

采用自悬浮定向流技术制备银团簇纳米颗粒,理论分析了银团簇的成核机理与影响因素,实验研究了制备条件和工艺.结果表明:惰性气体的冷却效率、气体流速和压强、金属熔球的温度和大小是控制颗粒尺寸大小及分布的关键条件,制备粒径小于10 nm的团簇颗粒须采用氦气为载流气体;团簇颗粒流速越大,颗粒粒径越小,尺寸分布越窄,但颗粒生成数量越少.性能表征说明:制备的颗粒呈较规则的球形,为面心立方结构,分散均匀,表面纯净无氧化,粒径分布窄.理论与实验研究了银团簇纳米颗粒的光学吸收谱性质,证明表面等离子共振吸收峰与颗粒的尺寸有很强的相关性,随着颗粒尺寸的减小,由于量子尺寸效应,吸收峰将发生宽化和蓝移.

相衬成像方法利用硬X射线对低密度弱吸收物质成像,可获得高衬度图像.用菲涅尔衍射理论分析了X射线图像的形成机理.在频域中根据光学传递函数,对物像距离、样品空间频率等对图像相位衬度的影响进行了分析.分辨率和衬度是决定图像可见度的两个依据,分辨率主要依赖于光源的空间相干性,空间相干性又决定于源点尺寸,而时间相干性(单色性)是一个不重要的影响因子.利用多色微焦点源实现了X射线相衬成像技术,获得了有价值的相衬图像,如低原子序数低密度泡沫材料的硬X射线相衬图像,与吸收衬度成像相比,其图像质量得到了很大提高,能观察到泡沫材料的细微结构,分辨率可达μm量级.

利用傅里叶光学方法,建立了一个基于远场的多束超短脉冲相干合成的理论模型.研究了一个口径为50 cm,脉宽为1 ps的超短脉冲相干合成系统的各种误差对脉冲远场时域和空域特性的影响.结果表明:若要求远场的一倍衍射极限区域的积分能量分布达到理想情况下的90%,该系统的相位延迟误差小于0 63,沿x方向角度误差小于0.37 μrad,沿 y 方向角度误差小于0.34 μrad;若要求远场叠加脉冲的时域展宽小于25%,系统的剩余啁啾因子应小于1.32(不考虑相位延迟)或1.52(考虑0.63的相位延迟).

开展了基于等离子体断路开关的脉冲功率源驱动多丝Z箍缩负载初步实验,实验中采用了2根或4根钨丝组成的环形阵列,其中钨丝的直径分别为7 μm和20 μm.利用高速扫描摄影获取钨丝电爆炸和箍缩过程中等离子体自发光的物理图像.实验结果表明:导通电流为105 kA的等离子体断路开关将67%～78%的电流转换至金属丝阵负载上,负载电流上升沿为84～110 ns.高速扫描相机观察到了钨丝电爆炸形成晕等离子体及其向轴线箍缩和后期向外膨胀的物理过程.

介绍了TLCODE方法对多路传输线并联电路的模拟情况.根据TLCODE方法的要求,在引入接地电阻的条件下推导了多路传输线并联时的界面电压公式,同时构建了一个多路传输线并联的PSPICE电路模型,将该模型计算得到的传输线输入端电压作为TLCODE方法的输入电压,通过比较发现两种方法计算的传输线任意处的电流、电压波形完全符合.这表明利用TLCODE方法模拟多路传输线并联问题取得了成功,标志着开发多路并联磁绝缘传输线电路模型取得了重要进展.