基于瑞利-索末菲衍射积分,未使用任何近似,对非傍轴矢量光束的两种光强表示式,即传统光强公式和时间平均坡印廷矢量的z分量进行了研究.对非傍轴矢量高斯光束详细数值计算结果的比较表明,两种表示式之间的差异,即两者的相对误差与束腰宽度及传输距离和波长的比值有关.对非傍轴矢量高斯光束,若传输距离与波长的比值为10,束腰宽度与波长的比值大于等于0.8,则最大相对误差不到1.5%.因此,传统光强公式是可用的.

提出了一种基于复摆模型的高速摄影冲量耦合系数测量方法,冲量缓慢加载时由编码器标定复摆的系统参数,脉冲激光瞬态作用冲击加载时由高速相机测量最大摆角,有效地解决了编码器由于振动干扰无法进行角度判别的问题.实验测量结果表明:系统参数标定相对误差低于2.8%,冲击加载时冲量耦合系数测量结果具有很好的重复性,在(32.3～32.9)×10-5 N·s·J-1范围内,与国外报道的同类构型激光推力器数据吻合.

利用激光大气传输4维程序对激光大气传输相位不连续点的时空演化特征进行了数值计算.仿真计算了相位不连续点随光波传输的产生和湮灭过程,以及某一固定传输位置处,畸变光场内的相位不连续点随时间的变化情况.计算结果表明,相位不连续点是随着波前运动的,并且可以成对地产生或湮灭;当传输路径中的某一位置固定时,垂直于传播方向的畸变光场内的相位不连续点所在的位置随时间的变化是不确定的,但在传输条件一定的情况下,该位置处的相位不连续点数目的统计平均值是可以确定的.

非线性KTP(KTiOPO4)晶体的各向异性导热性能对于部分消除热应力以改善倍频效果具有重要作用.建立了3ω法测试系统,介绍了其测量各向异性材料的原理.测试了SiO2薄膜/Si衬底试样的导热系数,验证了该实验方法及系统的合理性.应用此方法测试得到KTP晶体沿径向和倍频方向(轴向)的导热系数,得到其不均匀度为0.737.结果验证了KTP晶体导热系数的各向异性.设计的实验系统可以有效测量各向异性晶体的导热性能.

介绍了多通道表面放电光泵浦源的设计,理论分析了触发电压幅值及上升时间、绝缘基板厚度等参数对所设计光泵浦源触发特性的影响.分析表明:在触发电压作用下,通道两电极处电场出现强烈畸变,而通道中间电场基本为零.采用高速相机拍摄泵浦源的放电图像以及电流线圈测量各通道的放电电流这两种方法实验研究了泵浦源的同步性及放电均匀性.当氮氩混合气体总气压为0.1 MPa (氮氩体积比为3:7),充电电压20 kV,触发电压30 kV,前沿约10 ns时,成功实现了10通道均匀放电,抖动约20 ns.实验结果表明:在保证放电装置绝缘良好的情况下,若充电电压和触发电压越高,触发电压上升时间越短,触发电极至通道的有效距离越短,则多通道放电的抖动就越小,放电均匀性越好.

采用近红外飞秒激光辐照浸泡在硫酸溶液中的N型单晶硅片,激光波长800 nm,脉宽200 fs,重频1 kHz,平均功率为100 mW,而硫酸溶液的质量分数分别选择为0.1%和1%.辐照后硅表面呈直径为5～8 μm,高度15 μm的柱型结构.分析其荧光特性,并通过比较硅材料表面微结构与激光光源、扫描参数、硅片背景环境的关系,确定最佳辐照条件为激光扫描速度750 μm/s,扫描间距5 μm/s.最终在厚度0.5 mm、直径26 mm的硅片上获得10 mm×10 mm的方形扫描区域,荧光光谱显示激光扫描后的区域在700 nm附近有很强的荧光发射.分析结果表明飞秒激光扫描改变了样品的表面微结构尺寸,增大了吸收面积,扩展了荧光激发波长,有效提高了样品的吸收效率和荧光发光相对强度(超过扫描前发光相对强度的2倍),荧光发射谱的变化是由量子限制效应和表面态模型共同作用的结果.

利用在传统的边缘提取方法上加入灰度抑制,并在梯度计算中考虑每个像素与周围8个邻域的关系的图像处理方法,解决了在线检测中被检测元件以布儒斯特角放置、元件片数较多、CCD所采集的损伤图像噪声成分复杂等造成的像质较差的图像处理问题,并系统地进行了光学元件疵点分析和计算.分析计算结果表明:此图像处理方法得到的损伤疵点尺寸与实际尺寸相符,误差在检测的范围内;为大型光学系统中光学元件损伤的在线、自动化检测提供了一种有用的技术途径.

利用准分子激光等离子体技术,在紫外预电离XeCl准分子激光器上获得了最短1.58 ns的短脉冲激光输出.实验中分析了聚焦到薄膜表面的光束能量密度对所产生的等离子体密度的影响,并对不同等离子体密度及维持时间情况下脉冲压缩效果进行了讨论,给出了激光器谐振腔在稳定腔及非稳腔两种工作方式下的实验结果.激光器在稳定腔工作时,脉宽可压缩至2.87 ns;采用非稳腔结构时,在脉冲能量不变情况下减小聚焦光斑面积,提高入射到薄膜表面的能量密度,得到了最短1.58 ns的短脉冲激光输出.该技术适用于任何其它准分子器件.

介绍了一种可应用于X射线Kirkpatrick-Baez(KB)显微镜的光学元件--X射线超反射镜.选用的W和B4C作为镀膜材料,膜对数为20,采用单纯型调优的方法实现了X射线超反射镜设计,用磁控溅射的方法在Si基片上完成了W/B4C X射线超反射镜的制备.采用高分辨率X射线衍射仪(8 keV)测量了X射线超反射镜的反射特性.制备的X射线超反射镜在掠入射角分别为1.052°和1.143°处,反射角度带宽为0.3°,反射率达到20%,可满足KB型显微镜的要求.

借助测量微加工薄膜变形镜驱动器的面形影响函数,分析了驱动器的电压-位移函数和驱动器之间的线性叠加性;通过对连续面形变形镜拟合像差的理论分析和实验研究,建立了微加工薄膜变形镜电压解耦模型.分析了对前36阶Zernike模式的拟合残差和拟合能力,指出微加工薄膜变形镜仅可用来拟合低级像差并且有较大的拟合能力和较小的拟合残差,而不能拟合高级像差.

基于有限元数值方法,就不同的光强分布模型以及电光晶体固定或自由的边界条件,模拟分析了KDP,DKDP,LiNbO3,BBO开关晶体材料在高平均功率激光负载下的热力学特性.结果表明:激光作用数s后,温升分布基本与光强分布一致;晶体表面的最大轴向位移和最大拉应力随光斑填充因子增大而增大;晶体的力学边界约束对最大轴向位移及最大拉热应力的影响随着光斑填充因子的增大而增强;在相同的入射激光光源及相同的边界条件下,KDP上的温升最大,热畸变最严重,DKDP次之,而LiNbO3和BBO具有较低的温升值或较低的热形变和热应力.

研究了采用二酐和二胺合成聚酰胺酸溶液,利用旋转涂层法制备聚酰亚胺薄膜的方法并对成膜机理进行了初步探讨.研究表明:在固定旋转时间时,通过控制合成聚酰胺酸的浓度和旋转速度可基本上控制薄膜的厚度,旋转涂膜法制备的聚酰亚胺薄膜厚度起伏小于5%,薄膜表面光洁度达到0.3～0.4 nm,0.3 μm厚聚酰亚胺薄膜的弹性模量为50～80 MPa.

介绍了在神光Ⅱ装置上开展的长脉冲2 ns,351 nm激光与黑腔靶相互作用的实验,报道了受激Raman散射光时间分辨谱图及能量测量的实验结果.长脉冲2 ns激光注入小腔靶(φ700 μm×1 250 μm)时,激光辐照缝靶产生的SRS光能量是激光与全腔靶作用产生的SRS光能量的1.3倍.在2 ns激光与不同尺寸黑腔靶作用的情况下,激光辐照小腔靶产生的SRS光能量比标准腔靶(φ800 μm×1 350 μm)产生的SRS光能量高1.6倍.由于激光功率密度下降,2 ns激光打靶SRS散射光要弱于短脉冲1 ns激光打靶,但持续时间稍长.实验结果表明:长脉冲2 ns激光与标准腔靶相互作用时,等离子体"堵腔效应"比较严重,标准腔靶尺寸不再合适.

在靶丸内表面掺杂诊断元素可以为内爆压缩界面的研究提供必要的手段,因此确定聚苯乙烯微球的元素含量特别是掺杂元素的含量对于靶丸的性能研究有重要的意义.采用小面积X射线光电子能谱(SAXPS)分析技术,对直径为150 μm,掺硫的单一聚苯乙烯微球的内外表面进行了测试,获得了微区内的元素及元素含量,发现硫主要存在于微球内表面.同时对该微球的制造过程进行了分析,认为XPS分析结果与工艺状态一致.

利用瞬态受激旋转拉曼散射(SRRS)模型及相位畸变模型,对具有空间相位畸变的强紫外激光束在空气中长程传输的SRRS效应进行了研究.详细讨论了低频和中高频空间相位畸变对SRRS阈值条件、斯托克斯光转换效率、剩余泵浦光和斯托克斯光相位的影响.研究结果表明,泵浦光的初始相位畸变对斯托克斯光相位畸变的影响较剩余泵浦光的更为明显;高频相位畸变对转换效率影响较低频相位畸变更大;SRRS效应阈值随低频相位畸变的增大而减小,随高频相位畸变的增大而增大.

运用同轴结构,研制出高功率超宽带功分器,采取先阻抗变换,再功分的形式,以简化机械加工难度.运用高频仿真软件进行仿真分析,研制出一分为二和一分为四的功分器,再组合成为一分为八的功分器,高压实验表明该功分器能耐高压,驻波测试表明阻抗匹配较好,从测量的传输参数可以看出输出各端口幅度一致性较好.证明了该高功率超宽带功分器可以用作实际的高功率天线阵列.

根据电磁场理论设计了S波段TM610高次模圆柱谐振腔.运用HFSS,ISFELD3D, CST-MS及MAFIA软件计算了该谐振腔中TM610及其附近模式的电磁场分布、谐振频率及模式间隔.计算表明:TM610模式的电磁场集中在漂移管头周围的区域,谐振腔中心处无电磁场分布.根据TM610模式的特点,采取了在腔中心放置铁氧体微波吸收材料的方法来抑制杂模.HFSS模拟表明:腔内吸收材料可消除TM510模式外大部分杂模的影响.采用了在主谐振腔外加耦合吸收腔的方法来抑制TM510模式,该吸收腔基模TM010的谐振频率等于TM510的谐振频率.模拟表明:TM510模式的大部分能量可以被吸收腔内的铁氧体材料衰减掉,Q值从15 604下降到571.

介绍了用于描述工作在高频强电场条件下的亚微米半导体器件的流体动力学模型,并讨论了为求解流体动力学模型所采用的算子分裂方法和有限体积法.使用流体动力学模型,对亚微米GaAs金属半导体场效应管器件进行了2维数值模拟,得到了该器件的I-V曲线、电子密度分布和电子温度分布.数值模拟结果表明, 器件栅极电压越负, 肖特基结的耗尽层越厚, 源漏电流越小;在耗尽层内电场最强处, 电子温度达到4 000 K;在强电场下,电子温度将严重偏离晶格温度,形成所谓热电子.

计算了同轴波纹慢波结构的色散特性,分析了波纹周期长度、波纹幅值大小以及同轴内导体半径对慢波结构色散特性的影响.研究表明内导体的存在使系统截止频率升高,系统尺寸可比普通波纹波导慢波系统更大, 并且可以采用大半径电子注并工作在低磁场状态.运用Magic软件对同轴波纹返波管进行了数值模拟, 发现同轴波导内场分布有利于注波互作用,在数值模拟基础上设计出高效率、低磁场的非均匀同轴波纹返波管,互作用效率达60%,聚束磁场小于1 T.

用时域有限差分方法模拟了由复合振子天线单元组成的天线阵列的辐射特性;计算了天线从同轴线的馈电效率,给出了天线阵列的辐射场和能量方向图;比较了不同排列方式下阵列的辐射方向图.模拟结果表明:这种天线阵列具有宽带特性和较高的馈电效率,适合于超宽带电磁脉冲的辐射应用.

用时域有限差分法仿真了某飞行器缩比模型及该模型涂敷雷达吸波材料的散射特性,得到了鼻锥方向、侧向和后向ns级脉冲激励下模型的时域响应和频域雷达散射截面;并在外场用ns级脉冲源进行了该金属模型的探测实验.仿真与外场实验结果均得到了模型的鼻锥方向回波幅度最小,侧向最大;鼻锥方向回波脉宽最宽,侧向最窄的结论.研究结果表明:外形隐身和材料隐身对ns或亚ns级窄脉冲的隐身效果不明显,ns或亚ns级窄脉冲能发现和识别隐身目标.

介绍了用德国CST公司提供的MWS 4.2软件模拟计算色散特性和耦合阻抗的理论方法,对内开槽矩形波导栅结构的高频特性进行了数值模拟.结果表明:在传统矩形波导栅结构的基础上,开槽后的矩形波导栅结构比开槽前的相速更低,用作行波管的慢波结构时,可降低工作电压,工艺上容易实现,而且耦合阻抗均在45 Ω以上,满足毫米波行波管的要求;在内开槽宽度一定的前提下,槽深、栅间距和栅周期的增大对降低系统相速有利.

从同轴回旋自谐振脉塞(CARM)放大器的回旋动力学理论入手,详细分析了各参量对同轴CARM放大器的线性增益的影响.通过数值模拟,发现该器件的线性增益对及对同轴波导的外半径、电子导引中心半径以及加速电压的变化非常敏感,而随波导内半径的变化不敏感.经优化,当外半径为3.805 cm,导引中心半径为1.309 cm,内半径为1.039 cm,加速电压为54.9 kV时,器件的线性增益最高为294.96 dB/m.

埋地电缆和其它金属长导体对核电磁脉冲的耦合分析对于确定合理的工程防护措施具有重要意义.采用Agrawal模型和时域有限差分算法对线缆耦合问题进行了分析,针对该模型中需要计算土壤阻抗与电流项卷积、土壤导纳与电压项卷积的问题,提出了一种土壤阻抗特性的线性拟合处理方法,可避免复杂的卷积计算.介绍了该方法的基本原理和试用结果.这一模型拟合法适用于确定无时域解析表达式的传输线模型参数,与传输线模型的时域有限差分方法相结合,可用于分析非均匀场作用下传输线的耦合.

上海光源在准直测量方案设计中面临的最大挑战来自于松软地基及高精度的定位要求.上海光源的准直过程分为控制网测量、元件标定、预安装准直、现场安装及平滑测量5个关键步骤.采用激光跟踪仪和静力水准系统等测量手段,将控制网精度设计为0.08 mm,其余步骤精度达到0.05 mm,以保证相邻共架机构的准直精度达到0.12 mm,优于0.15 mm的设计指标.方案在注重精度指标的同时,还兼顾了可靠性、测量效率、费用及实时监测的可能性.

介绍了通过反向叠加长脉冲的方法,在双脉冲间隔小于1 μs的情况下对直线感应加速器磁芯进行的脉冲间复位实验,复位后波形幅度得到了明显改善,在最大伏秒值280 kV×100 ns的单脉冲感应腔上得到了两个伏秒值为200 kV×100 ns的感应脉冲.实验表明:当主脉冲脉宽小于100 ns,间隔大于500 ns时,采用脉冲间叠加复位的方法,将主脉冲叠加在一个反向的长脉冲上(脉宽大于10 μs,最大幅度约为主脉冲的20%)形成正负脉冲串,能有效提高感应加速腔磁芯的利用率,且对感应主脉冲没有明显影响,使单脉冲直线感应加速器的多脉冲改造成为可能.

对于多束团运行的储存环,逐束团流强的测量是研究注入填充和束流不稳定性阈值等的重要内容.介绍了加速器常用的一些逐束团监测手段,在此基础上,利用HLS(Hefei Light Source)现有的逐束团测量设备,并配合相应前端信号处理电路,进行了HLS储存环逐束团流强测量.实验线路方面,在传统的高频频率倍频信号检波的基础上,尝试了新的与同步方波信号检波的方法.分别在多束团和单束团情况下对HLS的束团流强进行了连续检测实验,对实验结果进行线性拟合,得到了定标结果,结果表明系统的1阶线性拟合标准偏差均在1%左右;最后对其中非线性部分的物理本质进行了解释.

快中子照相中,基于反冲核原理探测快中子的有机闪烁体平板是普遍采用的快中子辐射转换体.模拟了D-T中子垂直入射BC400闪烁体平板,计算了不同厚度平板闪烁体的点扩展函数,对14.1 MeV快中子照相中闪烁体固有分辨率随厚度的变化进行了研究.计算结果表明,在不考虑二次中子与闪烁体作用及背景噪声等情况时,点扩展函数几乎不依赖于闪烁体厚度.同时,计算还表明在一定的分辨率范围内,由于荧光收集效率的限制,闪烁体厚度增加并不会改善图像对比度.

运用经典理论方法,并采用辛算法数值求解了双色激光场作用下1维共线氢分子离子(H2+)的哈密顿正则方程,得到了氢分子离子在激光场下的经典轨迹.计算了单色场和双色场下氢分子离子(H2+)的存活几率、电离几率、解离几率、库仑爆炸几率随时间的演化,分析了双色场的相位、强度、强度比及倍频的变化对氢分子离子动力学行为的影响,并给出了相应的物理解释.

目前离子发动机光学系统数值模拟大多采用PIC方法,由于该方法需要跟踪单个粒子的运动,因此需要存储每个粒子的位置信息与运动信息.传统的粒子模拟程序中,保存粒子信息大多采用数组的方式,但是采用这种方式存在弊端,例如对粒子总数变化的自适应不好.基于此开发了一种使用链式存储结构的粒子模拟程序,该程序使用带头节点的单向链表存储粒子信息.使用基于链式存储结构的PIC方法对离子发动机光学系统进行了粒子模拟,验证了链式粒子信息存储方法在粒子模拟中的可用性.模拟表明:(1)在粒子模拟中采用链式存储结构存储粒子信息,无需预先指定最大粒子总数,程序可自适应粒子总数的变化,因此无需进行试算,节省了计算时间;(2)在粒子模拟中采用链式存储结构,由于不存在内存资源的浪费,因而可显著提高程序?拇娲⑿视爰扑阈?

给出了中子半影成像技术的原理;分析了系统分辨率的影响因子;利用MCNP软件对中子半影成像过程进行模拟;用改进的逆滤波和维纳滤波两种方法对成像主轴上一点源和偏轴两点源的编码图像进行重建,并对编码像在降低噪声和去除本底前后的反演结果进行了比较.模拟结果表明维纳滤波法能够更好地抑制统计噪声.

半影成像具有灵敏度高的特点,该技术是未来惯性约束聚变(ICF)中子成像的主要技术路线.基于中子半影成像的基本要求,利用蒙特卡罗方法,采用偏移抽样法和面通量的体通量替代技巧,模拟中子在半影成像系统中的输运,得到2维图像,并通过图像重建程序得到重建的源区图像.利用模拟结果,对编码孔屏蔽材料的选择和外径设计进行了初步优化,最终选择5 cm厚的钨屏蔽材料,其编码孔外径为1 cm.

在Ti-2Al-2.5Zr合金中注入能量为75 keV的He离子,注入剂量分别为5×1016 cm-2,1×1017 cm-2.通过显微硬度测量和剖面电子显微观察,研究了He离子对Ti-2Al-2.5Zr合金力学性能和显微组织的影响.结果表明:样品的显微硬度随He离子注量的增加而升高,在温度为350和550 ℃的Ar气中退火后硬度有所下降.剖面电子显微观察发现有位错环和He气泡生成,退火后He气泡有长大、缺陷有回复的趋势.辐照产生的位错环是辐照后硬度升高的直接原因,其退火发生回复又引起硬度随退火温度的升高而降低.

考虑了光子与物质的三种相互作用方式,用解析分析法确定光子在材料中能量的一次散射转化几率,并由此求得闪光照相系统中成像平面上的散射和最小直散比的表达式.用该公式求得的FTO客体的最小直散比约为1.0,与美国NIH实验结果0.5～1.5近似符合.

介绍了Z-pinch实验用软X光功率仪的测量原理,利用"强光一号"产生的强脉冲软X光对薄塑料闪烁体(φ40 mm×0.1 mm)进行了辐照.实验中,采用两套软X光功率仪并安装在同一个大法兰面上,其中一套作为标准系统,参数保持不变,另一套系统的狭缝宽度逐渐增加,以改变软X光辐照到闪烁体上的能量通量密度.测量了软X光的辐射功率,由此计算得到在强脉冲软X光辐照下发光线性输出时能量通量密度下限,为1.47×105 W/cm2,为以后在Z-pinch物理诊断中合理安排探测系统提供了实验依据,使诊断结果更加合理和准确.

等离子体断路开关(POS)是"强光一号"加速器产生短脉冲γ射线的关键器件之一.应用POS融蚀模型分析了"强光一号"加速器POS与二极管系统的基本工作过程,通过该模型计算获得了POS与二极管系统的总电流以及电子束电流,计算结果与实验结果吻合较好.计算结果表明,"强光一号"POS在工作时并未达到完全磁绝缘状态,其阻抗最终为21.5 Ω,约有60%总电流在二极管负载导通时流过POS,且融蚀模型对POS阻抗增长预测偏高,但由于电流变化较大,二极管负载电压仍能达到4.5 MV左右.

采用薄电流层模型讨论了螺旋型Blumlein线的一种结构,该结构由螺线体内筒、螺线体中筒和导体外筒构成.给出了假定外线独立传输电压波时的螺旋型Blumlein线特征参数的近似计算公式,并进行了简单的原理验证实验.理论计算得到的脉冲电压幅值为543 V、脉宽为24 ns,而实验中分流器测到的电压值为471 V、脉宽为30 ns.为了简化计算,理论计算中对外线独立传输的假设条件不严密,由此造成了与实验结果的差异.提出了Tesla变压器和螺旋型Blumlein线相结合的方案:内置高耦合Tesla变压器的单同轴线构成整个外线的一部分.设计结果表明:外径628 mm、总长2.67 m、充电800 kV的螺旋型Blumlein线可实现电压1.07 MV、功率1.53 GW、脉宽93 ns的脉冲输出,理论输出线能量转换效率50%.

利用基于SOS的SPG200高压脉冲功率装置研究了有机玻璃(PMMA)和尼龙1010在变压器油中的闪络特性.研究结果表明:闪络电压随内电极直径增加近似指数增加,随闪络距离延长近似线性增加,相应的击穿时延也近似线性增加.受实验条件的影响,有机玻璃和尼龙1010的闪络性能略有差异.同轴径向电场降落集中在内电极表面附近一定径向距离内,同轴电场下的闪络电压主要由内电极表面电场与径向电场分布的均匀程度决定.增加内电极直径和延长闪络距离都可以提高闪络电压,而增加内电极直径的效果更显著.