在一种掺镱(Yb3+)光纤锁模激光器中.谐振腔采用近"8"字形环形结构,并巧妙地引入半导体可饱和吸收镜(SESAM),腔内引入起偏器和偏振控制器,利用非线性偏振旋转的被动锁模机理,结合SESAM慢可饱和吸收体的自启动作用,在极低的泵浦功率下,实现了稳定的调Q脉冲输出和锁模输出.当泵浦功率为18 mW时,调Q脉冲重复频率为16 kHz,脉冲宽度4 μs,光谱宽度为2.34 nm.当泵浦功率为60 mW时,实现了激光器连续锁模,输出功率8 mW,重复频率20 MHz,光谱宽度3.54 nm,脉宽在ps和亚ps量级,而且在调整偏振控制器的角度时,观察到了波长的调谐现象,调谐范围为1 028～1 530 nm.

通过加入高斯项的空间相干度,引入部分相干双曲余弦-高斯(ChG)光束,推导出部分相干ChG光束通过近轴ABCD光学系统传输的解析表达式,并用以研究其传输特性和空间整形.结果表明,部分相干ChG光束的光强分布不能保持传输不变性,其光强分布不仅与传输距离和离心参数有关,而且还与空间相干参数有关.在传输距离固定时,适当改变部分相干ChG光束的离心参数和空间相干参数,可实现光束的空间整形.光束质量因子随空间相干性的增大和离心参数的减小而减小.高斯-谢尔模型光束和完全相干ChG光束可作为部分相干ChG光束的特例处理.

以七芯光纤激光器为例,提出一种提高多芯光纤激光器总输出光功率中共相位模式所占比例的方法,即把多芯光纤激光器作为种子光源,输出信号光再经过多芯光纤放大器进行放大.基于速率方程组对激光器和放大器中的模式竞争进行了数值分析.计算表明:激光器输出端与放大器输入端之间距离存在一个最佳值,以使得放大器输出信号中低阶模式功率占总输出功率的比例最低,可以下降到小于1%.研究表明:级联放大系统可以有效增强共相位模式同时抑制低阶模式,比传统的塔耳博特腔激光器具有更好的光束质量.

利用双积分球-光电管系统,开展了不同厚度的芳纶纤维/环氧、碳纤维/环氧复合材料在不同强度(低于烧蚀阈值)的1.319 μm连续激光辐照下的能量耦合规律研究.结果表明:芳纶纤维/环氧复合材料的反射率、能量耦合率随材料厚度增加而增大,透射率随材料厚度增加而减小;在材料厚度一定时,反射率、透射率随激光强度增加而增大,能量耦合率随激光强度增加而减小;体吸收系数随材料厚度的增加而减小,激光强度的变化对其没有影响.碳纤维/环氧复合材料的反射率随激光强度增加而增大,能量耦合率随激光强度的增加而减小,材料厚度对反射率和能量耦合率的影响不大.

自由电子激光中的非线性谐波辐射能达到较高的谐波功率,可以用来得到短波长辐射或者降低第4代先进光源对电子束团品质的严厉要求.基于3维自由电子激光软件,深入详细地研究了上海深紫外自由电子激光装置的非线性谐波辐射,并且提出了谐波辐射实验和测量建议.研究表明上海深紫外自由电子激光装置3次非线性谐波辐射的功率可以达到基波功率的2%水平.

在考虑了泵浦损耗及激光损耗的情况下,解析求解了阈值泵浦下的三能级光纤激光器速率方程组,获得了泵浦功率阈值的显函数解析表达式,泵浦功率沿光纤变化的隐函数表达式,以及用功率变化表示的各个能级的粒子数密度随位置变化的显函数表达式.并利用这些表达式对光纤激光器的阈值特性进行了研究,研究表明:泵浦功率阈值随泵浦损耗系数增大而增大;激光上能级粒子数密度随归一化位置呈下降趋势,而下能级粒子数密度的变化与此相反;泵浦功率阈值越大(光纤长度越长),净增益系数随归一位置下降就越快.所获得的结果适用于单包层和双包层光纤激光器.

基于布里渊散射耦合强度方程,分析了多模光纤受激布里渊散射非相干组束的机理,建立了其非相干组束的理论模型,并依据模型进行了理论计算.结果表明:在较长的多模光纤中,受激布里渊散射产生的Stokes光以LP01模传输;其非相干组束过程是混合光分解成线偏振光的逆过程;计算的组束功率与T.H.Russel等人的实验结果相一致.最后,分析了组束光强的分布,表明了组束光强对模场尺寸的依赖关系,证明提高组束光强的有效措施是减小组束光的模场半径.

基于由光束传输的ABCD矩阵得出的Z-scan透过率的解析结果,分析了Z-scan实验曲线随非线性相移的变化规律.发现随着相移的增加,折射非线性相移比吸收非线性相移对Z-scan曲线对称性的影响更大.对于具有强饱和吸收和弱自聚焦特性的非线性介质,其Z-scan曲线随非线性折射相移的变小将失去典型的类色散特点.对于1μm厚的ZnCdSe-ZnSe多量子阱,扫描光源采用532 nm的基模高斯光束,采用透过率表达式来拟合所得的实验数据,在吸收非线性相移为0.9与耦合因子为-10条件下,推算出三阶非线性吸收系数为2×10-3 cm/W,三阶非线性折射系数为 8.0×10-8 cm2/W,这与J.Ma等人的结果吻合.最后对曲线特征参数随非线性相移变化进行了数值计算,得到的曲线所对应的非线性相移与曲线谷位置的乘积近似为一常量,值为0.166.

正支共焦非稳腔在出光过程中易受环境扰动而造成腔长失调,易受热积累影响而使腔镜变形,从而使输出光束产生离焦像差和部分其它像差.为了实现对离焦像差的校正,针对不同的产生原因,提出了2种离焦像差特性分析方法:一为腔镜相对位置失调引起的离焦像差特性理论分析方法,它是另一种分析方法的基础;二为腔镜变形引起的等效腔长变化导致的离焦像差特性分析方法,它是实际激光器中的主要分析方法.得到了离焦像差与腔长的特性关系和离焦像差与腔镜变形量之间的特性关系.研究表明:腔长改变和腔镜变形对离焦像差的影响本质是一样的,都是改变了谐振腔的共焦点位置;腔长改变或腔镜矢高变化与离焦像差都成近似的线性关系.实验验证了离焦像差特性分析方法的有效性,最后指出离焦像差特性可作为激光器中离焦像差动态补偿的有效依据.

针对传能光纤的高峰值功率激光损伤过程,研究了光纤损伤测试方法.实验装置搭建中增加了定位孔,有利于激光注入光纤对准;分别采用刀口法和CCD法对入射光束不同截面处光斑大小进行了测量,两种方法的测量结果基本一致.参考GJB1487-92激光光学元件测试方法和ISO11245光学表面的激光诱导损伤阈值测试方法,采用N-ON-1损伤测试和有效光斑面积计算方法对芯径为400 μm的石英包层阶跃折射率石英光纤进行了损伤阈值测试.实验发现:光纤损伤部位全部为入射端面,利用200倍显微镜观察光纤端面,出现明显永久性损伤点.最后采用统计学原理和线性拟合等方法得出测试光纤的端面零概率损伤阈值为3.85 GW/cm2.

为实现室温下小型化、高效率的1.9 μm激光输出,采用793.5 nm激光二极管泵浦Tm:YAP晶体,晶体采用热电制冷及风冷的方式控制在18 ℃,采用1∶1的聚焦耦系统,获得功率为2.2 W、中心波长为1 928 nm的激光输出,光光转换效率为31%,斜率效率达41%.对影响激光输出的耦合输出率、腔型、腔长、晶体工作温度等因素进行了实验分析,实验结果表明:输出功率的变化与温度基本成线性关系,当增加激光谐振腔长时,由于高阶模式损耗加大以及晶体热透镜效应的加重导致腔内损耗加大,输出功率和斜率效率都有所下降.

数字化战场的发展使得红外图像信息的传输量迅速增加,因此必须对图像信息进行压缩处理,运动估计是图像压缩的关键部分.针对运动矢量的分布特点,提出了一种新的运动估计搜索算法,该算法先按照菱形搜索模板进行粗搜索,产生当前步的搜索点,并计算出各点的SAD值,根据最小SAD值是否在菱形搜索模板中心点,确定下一步的搜索方式,直到最小SAD值对应的点为菱形中心点,然后以方形搜索模板搜索,则最小SAD值对应的点即为最佳匹配点,最后得出运动矢量.测试结果表明,本算法比FS算法每帧的搜索速度提高了近20倍,与DS算法相比,搜索速度亦可以提高近20%,有效地节省了搜索时间,且基本上保持了全搜索FSA的性能,适合实时应用的要求.

提出了一种薄埋点靶:直径为200 μm、厚度为0.1 μm的铝点埋在20 μm厚的CH膜底衬中,表面再覆盖0.1 μm厚的CH膜.在星光Ⅱ激光装置上利用束匀滑激光打该埋点靶,在靶前向采用胶片记录的晶体谱仪测量铝离子K线谱,获得了铝离子K线谱半定量实验结果.并开展了非平衡铝等离子体发射光谱的理论计算分析.研究结果表明:采用单一等离子体状态且不考虑自吸收效应模拟计算获得的理论谱与实验谱符合较好,通过激光打薄埋点靶能够产生均匀的用于研究离化动力学和原子结构计算理论的光性薄高温等离子体.

建立了玻璃包覆铜丝快速凝固感应加热电磁场计算模型,借助MATLAB软件描述了圆柱形导体内电磁场分布规律.研究了感应线圈直径、锥度和匝数等参数对感应线圈内磁场分布的影响.结果表明: 随着感应线圈直径的增大,最大磁场强度降低;随着锥度的增大,线圈中最大磁场强度降低;随着感应线圈匝数增加,线圈中的最大磁场强度增加.扫描电镜和X射线衍射仪分析表明,实验制备的玻璃包覆铜丝的直径为18 μm、铜丝的直径为3.3 μm,玻璃包覆铜丝的表面质量及直径均匀性较好,铜以晶态形式存在,在[200]晶向具有明显的择优取向.

用脉冲激光沉积在不同条件下制备非晶碳超硬薄膜,研究了非晶碳超硬薄膜的表面形貌、结构、应力、硬度以及能谱等.原子力显微镜和扫描电镜图像显示,薄膜表面平整、致密且光滑,均方根粗糙度最大为0.877 nm.在高激光重复频率、高激光通量条件下,薄膜有很大的应力,致使膜层褶皱甚至破裂,小角X射线衍射表明薄膜为非晶态且最大残余应力达30 GPa以上,但300 ℃温度的原位退火可以有效降低残余应力;纳米压痕测试表明薄膜硬度大于20 GPa,弹性模量大于200 GPa;X射线光电子能谱表明薄膜中sp3的含量在39%～53%之间变化,并且与激光通量成正比.

采用瞬态受激旋转拉曼散射(SRRS)和空间相位扰动模型,定量分析了泵浦光强度和脉冲宽度对基频光在空气长程传输过程中产生的SRRS效应的阈值距离和转换效率的影响,讨论了泵浦光空间相位畸变对长程传输后的基频光光束质量的影响.研究结果表明:SRRS效应的阈值距离随着泵浦光强度和脉宽的增大而变短;空间相位畸变对斯托克斯光和泵浦光的光强分布存在一定影响,对斯托克斯光相位分布的影响比对泵浦光相位的影响大;SRRS效应的存在将导致基频光光束质量明显变差,对谐波转换效率产生明显影响.

采用化学镀方法对ICF空心玻璃微球靶丸进行处理,使其表面均匀包覆一层磁性Ni-P合金镀层,从而使得ICF玻璃靶丸具有一定的磁性,可望用于进行磁悬浮ICF定位打靶实验研究.用X射线衍射仪、扫描电子显微镜和振动样品磁强计对涂层的组成、结构、形貌及磁性能进行了表征.结果表明:对 ICF玻璃靶丸进行化学镀处理,其球形度、同心度和壁厚均匀性都与化学镀前未发生明显改变,其饱和磁化强度和矫顽力分别为3.883×10-3 A/g和1.046×10-3 T.

利用自行研制的空心微球耐外压装置和充气装置,测试了目前激光惯性约束聚变实验打靶使用的空心玻璃微球耐内压能力和耐外压能力.空心玻璃微球采用液滴法制备,直径为180～250 μm、壁厚为0.8～4.0 μm.理论计算表明,当微球纵横比超过90时,耐外压能力与球壳材料的杨氏模量有关,由此测量得到的空心玻璃微球杨氏模量为55～75 GPa.玻璃微球的耐内压能力主要与球壳材料的抗拉强度有关,实验测量得到的玻璃微球抗拉强度为90～140 MPa.

在传统行波管的放大过程中,随着电子纵向群聚的加深,由于空间电荷效应导致的非线性效应,影响了行波管的输出性能.介绍了一种新型的行波管并分析了其作用机理,分析了这种新型行波管慢波系统的结构及其色散特性,讨论了T形齿结构和梯形齿结构慢波系统几何尺寸对工作性能的影响.通过圆极化行波的高频横向电场调制电子束,导致电子束在空间的扭转,使得电子在放大过程中没有经过纵向群聚而处于减速场中,消除了非线性效应,提高了行波管的输出性能.

根据回旋管的线性理论和回旋管自洽非线性理论设计出工作频率为220 GHz,工作电压为20 kV,工作电流为2 A的回旋单腔振荡管,采用的工作模式为TE03模.利用粒子模拟软件MAGIC对设计方案进行验证,得到的注波互作用效率达到37%,平均输出功率为15 kW.

从实验上研究了矩形波导栅慢波系统的色散特性及其耦合装置的驻波系数,用分布加工的方法分别制作了矩形、燕尾形、梯形3种不同槽形的矩形波导栅慢波结构模型和带输入输出结构的矩形波导栅慢波结构实体模型.采用谐振法测量它们的色散特性和驻波系数,实验结果与理论计算值和模拟值吻合良好.

基于耦合波理论,对螺旋波导(蛇形线微扰)94 GHz、6周期TE01-TE11模式转换器和10.24 GHz、4周期TE31-TE11模式转换器进行了设计和数值分析.通过解耦合波方程得出模式转换器中各模式成分的比例关系,并对转换器的参数做进一步修正,然后利用电磁仿真软件进行模拟.两种转换器在中心频率处的模拟转换效率均达到98%以上,95%以上带宽超过2 GHz,仿真结果与理论分析吻合得较好.

对于探地雷达,脉冲源的功率和稳定度直接影响其作用距离和探测精度,对目标成像时进行相干积累有着重要意义.采用雪崩三极管设计的全固态脉冲源具有很高的稳定度指标,但输出功率较低,使用Marx电路可以提高其输出峰值电压幅度.梳状PCB(印刷电路板)电路是一种结构紧凑具有自相似性的电路形式,有利于进一步提高脉冲源的稳定度指标,也有利于脉冲源的小型化设计.根据某探地雷达要求,采用梳状PCB电路形式,实现了12级Marx电路的脉冲源,采用欠电荷法对脉冲波形进行了优化设计,其输出峰值电压大于400V(50 Ω负载),脉冲宽度为600 ps,重复频率大于25 kHz;并且具有良好的时基稳定度和波形稳定度,脉冲宽带抖动小于1%,峰值抖动小于1%.

分析了非线性左手材料模型,推导了非线性左手材料中的时域有限差分法及完美匹配层的计算式.数值模拟了具有Kerr非线性效应的左手材料平板中的电磁波.观察到该材料同样具有电磁聚焦特性.对比线性左手材料,其聚焦点的幅度和位置都会发生偏移.同时改变波源的强度及其到平板边界距离,讨论了不同距离情况下该非线性左手材料平板对电磁波分布的影响.当波源距离材料平板足够远,通过非线性左手材料聚焦的电场强度几乎集中在其外表面.

对8 mm二次谐波回旋速调管中的注-波互作用,进行了PIC模拟计算,得到了高频结构尺寸、电子注参数、聚焦磁场等参数对输出功率、效率和增益的影响规律.在磁场系数0.511 8,电子注电压70 kV,电子注电流约16 A,输入功率约80 W时,得到约430 kW的输出功率,电子转化效率38%,超过37 dB的增益,3 dB带宽超过210 MHz.

在双频磁绝缘线振荡器的基础上,提出了多频磁绝缘线振荡器的设想,并利用电磁模拟软件,通过对磁绝缘线振荡器的高频结构进行优化,设计出了多频磁绝缘线振荡器.给出了能够同时稳定输出微波频率数目为1,2,3,4,5的多频磁绝缘线振荡器的粒子模拟结果.结果表明:多频磁绝缘线振荡器可以产生多个频率的高功率微波信号,其功率效率较单频磁绝缘线振荡器的功率效率有明显降低.

建立了S波段相对论速调管放大器双间隙输出腔开放腔的3维模型.采用时域有限差分法,通过监测激励电流源的响应计算了该双间隙输出腔的谐振频率、有载Q值、场分布以及特性阻抗,并分析了腔体结构尺寸对谐振频率、有载Q值和特性阻抗的影响.研究表明:腔体半径对开放腔的谐振频率影响很大,耦合孔尺寸对腔体谐振频率的影响较小;随着耦合孔张角增加,有载Q值逐渐减小;随着腔体半径增大、间隙的减小,腔体特性阻抗降低.研究结果可为S波段强流相对论速调管放大器双间隙输出腔的设计提供理论依据.

采用了窄带和超宽谱高功率微波源,在微波暗室和开阔试验场地中建立了多个典型波段的微波辐射场;并利用辐射场测量系统,对多种测试样片和屏蔽室模型试验样片的屏蔽效能进行了试验.结果表明:当测试窗样片厚度(屏蔽室模型试验样片壁厚)大于30 mm时,对窄带高功率微波的屏蔽效能可达到80 dB以上,对超宽谱高功率微波的屏蔽效能可达到50 dB以上.该特种电磁材料可广泛应用于三级屏蔽要求的工程中,当周围的电磁环境以窄带微波为主时,可谨慎应用于屏蔽要求较高的防护工程中.

提出一种利用偏轴双腔来监测电子束位置的新方法,根据谐振腔归一化分流阻抗参数分析了其工作原理和主要特性.偏心束流在偏轴谐振腔中激发出较强的偶极模TM110信号,根据两腔输出的偶极模信号幅度比可直接测量束流的中心偏移量.偶极模信号幅度变化反映了束流的偏移方向,省去了鉴相工作,简化了前端接收电路的的设计,基模抑制问题已被解决.利用MAFIA和HFSS软件对本征模进行仿真,并分析了模式耦合特性,仿真结果验证了新结构的可行性.

利用切伦柯夫辐射的瞬时发光机理,把相对论电子束打在熔石英靶片上转化为可见光,再用皮秒扫描相机进行测量,就可得到射频直线加速器皮秒电子束微脉冲的峰值电流及微脉冲束团.采用该方法,对L波段射频直线加速器的电子束微脉冲宽度和束团结构进行了诊断.由此构建了一套加速器电子束微脉冲的在线测量系统,该系统对调整加速器工作状态、提高束流品质使之适应自由电子激光要求起到了重要作用.

为实现兰州重离子冷却储存环主环束流的快引出,采用一种基于现场可编程门阵列(FPGA)的引出控制系统.在FPGA单元设计中,采用数字倍频技术来实现对Kicker磁铁在1个高频周期内充放电时间的精度控制.经测试,该控制系统对存储环中运行束流位置的跟踪可调节时间步长为5 ns.当高频频率为1.4 MHz时,在0～360°范围内可实现约2.5°相位精度的Kicker触发.

分析了加速器作为硼中子俘获治疗(BNCT)中子源的优势,提出以射频四极场(RFQ)加速器作为BNCT用中子源的首选机型.对该RFQ的参数进行了选择,利用质子轰击锂靶近阈反应产生的前冲中子束能散低、散角小的优势,设定RFQ最终能量为1.9 MeV.采用"匹配均温"设计方法进行了此强流质子RFQ的束流动力学设计,并对设计方案进行了传输模拟,在入口归一化均方根发射度为0.25 mm·mrad、流强为100 mA时,束流传输效率为99.3%.选择合适厚度的锂靶,经过整形即可得到满足BNCT治疗需要的中子束.

提出了用旋转台阶对辐射源成像的方法.对台阶响应曲线微分可得到辐射源2维出射强度沿台阶方向的1个投影,通过旋转台阶体,可得到完整的正弦图,从而可用层析重建算法重建出辐射源区的强度分布.用钨合金台阶体在1个60Co源上进行成像实验,从400个角度的台阶响应数据重建出60Co源活性区图像,表明该方法是可行的.此方法可推广到大孔径圆孔台阶体,用于测量X射线焦点等小尺寸辐射源的尺寸.

采用连续CO2激光和真空等离子体相结合的方法对石英基片进行清洗.通过光学显微图、水接触角、透过率和损伤阈值测量分别表征了CO2激光和等离子体对真空硅脂蒸发物污染过的石英基片的清洗效果.研究表明:对于真空硅脂蒸发物污染后的石英基片,可以先采用低能量的CO2激光进行大面积清洗,再用真空等离子体进行精细清洗.光学显微图像表明:清洗后的基片表面的油珠被清除干净;水滴接触角由63°下降到4°;在400nm附近,基片透过率由92.3%上升到93.3%;损伤阈值由3.77 J/cm2上升到5.09J/cm2.

报导了一种高压串级延迟击穿(DBD)开关在快脉冲触发源中的应用,介绍了脉冲源的电路结构和工作原理,并将DBD开关成功应用于快前沿脉冲触发源,获得了明显的脉冲陡化效果.串级DBD开关的级数为15级,直流击穿电压45 kV,脉冲工作电压60 kV,脉冲前沿由95 ns减小到21.5 ns,脉冲宽度50 ns.

利用PIC粒子模拟方法,结合对同轴结构二极管工作模式的半解析描述,研究了离子存在与否对rod-pinch二极管(RPD)工作特性的影响.模拟给出了二极管的伏安特性、不同时刻电子和离子的相空间分布以及空间电流分布等.结果表明随着电流逐渐增大,其工作模式从空间电荷限制流依次向弱箍缩流和磁绝缘流转变.只有存在离子的情况下,电子才能沿着阳极杆表面运动并在其末端发生箍缩,表明RPD中离子电流的存在对于RPD工作是必需的.

提出了一种结构紧凑的长脉冲发生器,该发生器的螺旋型形成线包含有磁性材料构成的内导体棒和外屏蔽.形成线通过内置的高耦合Tesla变压器充电,变压器的初级线圈紧靠外磁芯导体,次级线圈位于螺旋中筒和外筒之间.对这种结构的螺旋线进行了特征参数的理论计算和波传输数值模拟,并进行了简单的原理验证实验.实验结果表明:这种设计是合理的、可行的.

基于1维爆轰驱动模型、爆炸管与金属固壁的1维磁扩散模型及回路等效电路模型,编制了关于轴线起爆大电流同轴型爆磁压缩发生器的数值模拟程序CEMG2.0.应用该程序对洛斯·阿拉莫斯实验室设计试验的43 cm长Ranchero发生器进行了对比模拟,结果证明CEMG2.0程序所采用的模型是合理的,可以应用于今后同类发生器的优化设计.

扫描相机标定数据处理中的-个关键问题是如何准确确定脉冲信号的位置，实验数据的信噪比和脉冲信号位置的定义方法都会对标定结果的准确性产生影响。采用了取半高宽的方法来确定扫描相机标定脉冲信号的位置，在信噪比比较高(大于100)的情况下，该方法确定标定信号的位置可以达到亚像素水平。对于信噪比比较低(小于10)的实验数据，先采用快速傅里叶变换方法对其进行滤波，通过滤波可以极大地抑制噪声信号的影响，然后采用“半高宽法”确定脉冲信号的位置，最后得出可信的标定结果。当扫描相机定在0.3 ns的扫描档时，通过该方法得到的扫描速度为0.214 ps/pixel，扫描不确定度为0.0029 ps/pixel，拟合线性相关系数为0.9997。