通过考察各种放电状态及气流条件下发生器内外物种的自发辐射谱,发现光谱峰值强度与对应物种浓度成正比.分析了主要的等离子体动力学过程,了解了单重态氧及其它物种的浓度变化规律.考察了α放电和γ放电两种不同的放电方式.发现在α放电状态下,体系中有较少氧原子等淬灭性粒子,更有利于O2(1Δ)产生.加入He,有效地降低了气体体系的离子化阈能和约化场强,约化场强最小时,产生的O2(1Δ)浓度最大,相较于纯氧放电,O2(1Δ)浓度提高一倍以上.考察了腔外各物种浓度的变化, O2(1Δ)离开放电腔后浓度稳定,沿距离减少较慢,有益于出光.优化了本系统的放电极间距,极间距太大或太小,都不利于单重态氧的产生.

由傅里叶光学原理给出了多光束合成场的远场表达式,在此基础上求出了分布在园环上的相干光源合束后的远场解析式.对光源按角度均匀分布在环上的情况,重点讨论了光源数目为2,3,4情况下远场光强暗环(线).研究表明,在光源数目为2的情况下,远场图上只有暗线没有暗环;在光源数目为3,4的情况下,远场图上的暗环并非圆形环.由于傅里叶方法运算简单,而且还可用于激光器输出并非严格高斯光束(如光纤激光器、半导体激光器)等情况,因而对分析相干合束有其独特优势和实际意义.

对使用高斯-谢尔模型光束的Z扫描做了理论分析,研究了光阑半径和空间相干度变化对Z扫描曲线的影响.研究发现:随着光阑半径的变大,Z扫描峰谷透过率之差逐渐减小直至为零,其作用效果与完全相干光一致;随着空间相干度的增加,峰谷透过率之差也逐渐增大,当空间相干度大于某一定值后,峰谷透过率之差达到饱和不变.部分相干光束的Z扫描实验为测量其空间相干度提供了一种可行的方法.

基于多波长光束组合技术,利用光栅的衍射和外腔的反馈,将二极管阵列的发光单元锁定在不同的波长上,相邻单元的出射光波长有微小的差异.从外腔耦合镜输出近似平行的光束,其光束质量等同于单个发光单元的光束质量,而组合光束亮度随着组合光束个数定标放大.实验中采用发光单元宽度为100 μm、填充因子为0.5、由49个单元构成的1 cm 阵列获得功率为2.39 W的输出光束,其光谱宽度为27 nm,远场光斑的直径为0.08 mm,对应的远场发散角为1.2 mrad,其光束质量因子约为28,与单个发光单元的光束质量相当.

在相位匹配和可接受掺杂比理论的基础上,针对CdGe(As1-xPx)2晶体,研究了掺杂比对频率转换的影响.依据Sellmeier方程得到了倍频和Ho3+:YLF与Cr:Er:YSGG激光器泵浦光学参量振荡的相位匹配调谐曲线,并给出了不同掺杂下的可接受掺杂比.结果表明:掺杂晶体可实现2～9 μm范围内非临界相位匹配的倍频和2～18 μm的参量光产生;随着掺杂比的增大,可接受掺杂比近似线性减小,并随着波长改变展现出了不同变化趋势.

建立了高功率掺镱双包层光纤激光器的速率方程模型与热应力模型,对影响受激拉曼散射效应和热应力效应的关键参数(如纤芯半径、光纤长度、泵浦波长、泵浦方式)进行了数值模拟.结果表明:对于较小的纤芯半径,光纤内的斯托克斯光功率较大且增长迅速,因此增加纤芯半径能有效减弱受激拉曼散射效应;减小光纤长度能提高受激拉曼散射的阈值,而纤芯的热应力也增大,因此在不出现热应力引起光纤断裂的情况下,可以减小光纤长度以提高输出功率;采用976 nm波段泵浦源能提高输出功率,降低热应力的影响;两端均匀泵浦方式可以有效降低纤芯热应力,同时维持高功率输出.

利用激光大气传输4维程序,结合均方和半径分析方法,对氟化氘(DF)激光大气传输的定标规律进行了数值分析.得到了焦平面处63.2%环围能量半径的光斑扩展规律以及在焦平面上不同环围能量半径内的平均功率密度定标关系式.此定标关系不仅适用于大菲涅耳数、弱传输效应条件下,同时也适用于小菲涅耳数、强传输效应条件下DF高能激光大气传输,从而能够对激光大气传输的效果做出快速地预测和有效地评估.

介绍了一种基于分数泰伯效应的单脉冲激光损伤阈值测量方法.该方法是根据六角相位光栅的分数泰伯效应,将激光光束整形成许多不同能量密度的高斯形状光斑,通过比较光斑分布图和损伤分布图即可统计计算得到各个能量密度区间的损伤概率.根据角谱传输理论数值模拟得到了六角相位光栅的分数泰伯像并得到实验验证.用该方法和传统的1-on-1测得HfO2/ SiO2高反介质膜的激光零损伤阈值分别为7.9和8.0 J/cm2,并进行了误差分析.

应用Hartmann波前传感器测量了准直平行光通过低速热射流后的畸变波前时间序列,对该时间序列进行本征正交分解得到系列本征函数和时间系数,对本征函数进行双线性插值处理得到未布置探测器处的本征函数值,新本征函数与时间系数相乘从而获得未布置探测器处的波前数据.在时域和频域比较了波前预测值与实际值,结果表明了该插值方法的有效性,从而实现对波前的高时间、高空间分辨率测量.

给出了一种适合于吸收性介质内粒子散射的Mie级数新的表示形式.利用Mie理论研究了吸收性海水中气泡的单散射特性和气泡群的相位函数.与非吸收性海水中气泡的光散射特性相比,分析了海水折射率虚部对气泡光散射的影响.结果表明:180°后向散射的增强是气泡固有的光学性质,与所处介质无关,可以利用后向散射的增强来探测气泡.

实验测量了波长1 064 nm,10 kHz高重复频率激光辐照下在白宝石、石英玻璃、K9基片上制备的Ta2O5/SiO2高反膜的温度变化,有限元分析的结果与实验结果相一致.用ANSYS程序计算了不同光斑直径、相同功率激光和相同功率密度激光辐照下薄膜元件温升的变化.结果表明:相同功率激光辐照光学薄膜元件时,光斑大小只影响激光辐照点的温升,对基板温升没有影响.基板温升只与激光功率有关,激光功率越大,基板温升越大.相同功率密度激光辐照光学薄膜元件时,光斑越大,激光辐照点温度及基板温度均越高.从激光损伤的热效应考虑,小光斑激光辐照时,光学薄膜的激光损伤阈值较高.

理论分析和模拟仿真研究了激光点火系统中光纤端面损伤、光纤初始输入段损伤和光纤内部损伤机理.结果显示:端面损伤主要是由光纤端面的杂质和缺陷引起;光纤初始输入段损伤是由光束的初次反射造成光纤局部激光能量密度增大引起的;光纤内部体损伤主要由于激光自聚焦效应引起损伤和光纤受到的意外应力产生微小碎片,吸收激光能量,引起光纤局部损伤.给出了激光点火系统中提高光纤损伤阈值的一般方法,主要包括光纤端面处理、设计合理的激光注入耦合装置.

采用衍射积分理论和干涉理论分别对轴棱锥产生的Bessel光的传输特性进行描述,并讨论了其适用条件和优缺点.数值模拟了光传输的3维强度分布,同时进行相关参数的实验测定.数值模拟和实验结果表明:在最大无衍射距离内,衍射理论能很好地描述Bessel光的轴上光强分布,当接近或超出最大无衍射距离时,干涉理论也能较好地描述Bessel 光的强度分布,实验结果和理论分析基本吻合.

从辐射度学的基本理论出发,建立了单CCD像元的距离选通激光主动成像模型.而后考虑成像质量,借助单CCD像元信噪比和图像均方差误差两个指标,阐明了距离选通技术是抑制后向散射、增大成像距离、提高图像质量的有效手段.最后从模型出发,导出了距离选通技术在激光主动成像中应用时一些关键参数的选取原则:(1) 尽可能减小激光脉冲宽度,以克服后向散射的影响;(2) 要能够达到尽可能远的观测距离,在激光功率一定的条件下,激光占空比越大越好;(3)在激光满足一定条件的情况下,脉冲频率越高越好.

建立了以光线入射方向和晶体光轴方向为基准的入射坐标系,利用波法线反曲面方程和电磁场在晶体折射界面处切向分量连续性的边界条件,得到了晶体中波法线方向、射线方向、波法线折射率和射线折射率的表达式.从非常光的射线方向和射线折射率出发,得到了在任意的晶体光轴方向和入射角条件下,光通过单轴晶体后寻常光、非常光的光程差表达式.对Lyot型滤光单元的透射率和视场进行了计算分析后发现,滤光单元的透射率随光线入射角的变化呈现一定的周期性,视场随光轴倾角的增大而减小.得出了透射率和视场随光轴倾角(光轴与晶体表面的夹角)和光线入射角(光线在晶体表面的入射角)的变化规律.讨论了通过改变晶体倾角实现滤光器调谐和补偿晶体厚度加工误差等技术问题.

建立了两路光纤激光器自组织相干合成的理论模型,并进行实验验证.结果表明,通过能量的相互注入,可以实现光纤激光器的自组织相干合成,合成效率达到92%.当外界基本没有干扰时,远场光斑为稳定、高对比度的干涉条纹,激光器阵列输出模式为异相模,与理论分析的结果一致;当外界环境存在轻微干扰时,实验出现条纹移动现象,输出模式也不再是恒定的异相模.对外界干扰对自组织相干合成的影响进行了数值分析,结果表明:外界干扰的幅度与频率越大,两束激光的相位差的变化幅度与频率也就越大;当外界干扰超过一定程度,两束激光之间的相位差将不能被锁定,始终处于变化状态.

对单位链接脉冲耦合神经网络模型中的线性调制、动态阈值衰减方式及步长、迭代次数控制等关键环节进行了改进,进一步简化了网络模型,使其更适合于图像处理.并针对低对比度、背景连续变化环境下的空中扩展目标检测问题,应用反色处理,并采用最大直线轮廓点数方法,确定其最佳迭代次数和分割结果,实现目标的自动检测.仿真实验结果表明,该方法能清晰完整地保留目标轮廓,有效检测出复杂背景下的空中扩展目标.

采用紫外-可见吸收谱和二次谐波产生技术研究了温度对4-硝基-4′-氨基偶氮苯(NAA)分子Langmuir-Blodgett(LB)单层和多层膜的光谱和二阶非线性光学特性的影响.单层LB膜的二次谐波强度在室温至80 ℃的温度范围内随温度的增加基本成单调下降关系,温度高于80 ℃后基本没有二次谐波信号.多层LB膜的二次谐波强度随温度的变化分为几个不同的温度阶段.吸收谱表明单层LB膜分子的有序排列受热后不易恢复,超过80 ℃后则不能恢复;多层LB膜的则较容易恢复,温度达到80 ℃后仍能恢复,超过100 ℃后则不能恢复.由于NAA的多层LB膜存在层间分子的相互作用,其结构的稳定性比单层膜要强.

提出了利用准相位匹配晶体进行宽带脉冲倍频,再根据准相位匹配晶体的极化周期与倍频脉冲输出中心波长的相位匹配关系来精确测量准相位匹配晶体极化周期的新方法.理论分析了准相位匹配晶体的极化周期与倍频脉冲的光谱关系、倍频容许带宽与晶体长度的关系.研究表明:宽带脉冲倍频后输出的脉冲峰值波长对应于角度的调谐曲线具有对称性;对于长度为10 mm的极化晶体,其倍频容许带宽不到0.2 nm.实验中,采用了国产PPKTP晶体试验片,晶体尺寸为10 mm×7 mm×1 mm,理想极化周期9 300 nm.结果表明:对于中心波长为537.25 nm的倍频光,其对应的实际晶体极化周期为9 303.9 nm,大于晶体加工时的理想值;当倍频脉冲光谱测量精度为0.01 nm时,准相位匹配晶体的极化周期测量精度达到0.1 nm,远高于一般光学显微镜的观测精度.

在神光-Ⅱ高功率激光装置上,以束匀滑的第九路钕玻璃二倍频激光均匀辐照薄层铝埋点靶,通过激光烧蚀作用产生较均匀的铝高温等离子体,用平面晶体谱仪在靶面前向和切向同时测量了X光发射谱信号,并将前向发射谱进行了定量化还原处理.利用辐射流体力学程序MULTI-1D首先对等离子体状态进行了模拟计算,然后采用基于碰撞辐射模型的光谱程序对该状态下的光谱开展了计算,并将实验测量光谱与理论计算光谱进行了比较和分析,符合得较好.

为了满足惯性约束聚变(ICF)和状态方程(EOS)实验以及靶装配工艺的需要,在薄膜轧制过程中间以及轧制工艺完成以后需要对镍膜进行热处理来改善其组织结构和力学性能.对多辊轧机冷轧的方法制备的厚11 μm镍膜中间退火工艺进行了研究,根据确定的合适的退火工艺退火后继续轧制得到成品镍膜厚7 μm,表面粗糙度小于50 nm,基本满足目前状态方程实验对箔膜的要求.金相显微照片表明镍膜晶粒经500 ℃保温1 h退火由轧制前的条带状变为等轴晶;镍膜硬度经500 ℃退火后由4 GPa降低到了2.3 GPa左右;XRD衍射测试表明镍膜经500 ℃以上温度退火后,高角度的衍射峰开始出现,织构得到一定程度的改善.由此可以确定镍膜合适的中间退火温度为520 ℃保温1 h.

采用X射线衍射仪、振动样品磁强计分别测试了电沉积法制备的泡沫镍的晶体结构和磁性能,研究了电流密度、温度、占空比、脉冲频率对镍沉积层的晶体结构和磁性能的影响;并用扫描电子显微镜、透射电子显微镜观察了泡沫镍的组织结构与微观形貌.制备出的3维网络状泡沫镍密度为0.25 g/cm3,孔隙率为97.5%、孔径分布为400～500 μm.沉积层大颗粒粒径为1 μm,沉积层晶粒尺寸在10nm以下;泡沫镍为超顺磁材料,具有低的矫顽力和高的磁导率,其磁导率和饱和磁化强度随沉积层晶粒尺寸的增加而增大.

基于激光等离子体相互作用的复杂物理过程的数学模型,采用PIC方法分别研究了P极化和S极化非均匀短脉冲强激光入射均匀分布的稠密等离子体时引起的空泡、成丝等物理现象.模拟了激光脉冲在真空中的3维传播形貌.由3维密度分布图发现:激光产生的巨大的有质动力向两侧推动粒子,形成等离子体密度通道;当激光脉冲入射等离子体区域后,纵向加速的电子速度峰值出现在电流峰值处.

软X光多层镜反射率标定实验在北京同步辐射装置上进行,利用BSRF-3W1B 束线及其反射率计靶室(主靶室)标定不同材料的多层镜样品的反射率.多层镜的标定采用波长扫描法,以得到样品反射率随波长变化的曲线.给出了21°-B4C/Si,21°-B4C/Mo,10°-Cr/Ti,15°- B4C/W,10°- B4C/W以及6.86°-B4C/W等6块多层镜在50～1 500 eV能段上的反射率标定曲线,并将其与理论计算结果进行比较.结果表明:标定曲线与理论曲线很好地符合.影响标定结果的总不确定度的主要因素是光子能量不确定度,其次是角度不确定度,测量不确定度的影响很小.

利用模式匹配方法对"冷"谐振腔反射器的反射特性进行了理论分析,推导出了谐振腔反射器的广义散射矩阵.对应用于X波段低磁场返波管的谐振腔反射器的反射特性进行了研究,并利用数值模拟软件分析了在全反射条件下谐振腔反射器中的电场分布.结果表明:当反射器的内外半径的选取合适时,反射器可以在较短的长度时获得较大的反射,而且反射系数对反射器长度的变化不敏感.

推导了介电常数张量和磁导率张量中各分量带有不同符号的单轴各向异性异向介质平板波导的导行条件.根据分量符号的正负组合,分情况讨论了导行TE波的偶模特性,画出了平板波导中为实横波数时的布里渊图.结果表明,在特定条件下此平板波导中有无穷多导模,这与传统介质波导及各向同性异向介质平板中只有有限数量模式存在有很大不同.此外,还发现当分量参数满足一定条件时,出现了多个虚横波数的传输模式解,并且该模式存在高频截止.

通过对传统数字滤波和Birge-Massart小波阈值法的比较,对闪电瞬态电场信号进行了去噪研究.构建了双指数衰减脉冲信号并在其上叠加了高斯白噪声信号来仿真闪电瞬态电场实测波形,通过计算去噪前后信号的均方误差和幅值误差,比较了加权平滑滤波、FIR数字低通滤波器和小波阈值法的去噪效果,从处理仿真波形和实测波形结果可以发现,小波阈值去噪方法明显优于另外两种传统滤波方法.通过比较仿真信号由不同小波分解层数去噪结果的均方误差和幅值误差,确定在对闪电电场实测信号的去噪过程中,小波系数分解层数应选5～7.

提出了一种数值分析同轴线-矩形波导结散射特性的模式匹配方法.采用同轴线和矩形波导的本征模函数表示电磁场分量,通过同轴线-矩形波导结截面横向场分量匹配获得波导结的散射参数,引入电场模式匹配矩阵的解析形式提高了计算效率.给出了基于模式匹配法数值仿真的各种同轴线-矩形波导结散射特性及仿真结果分析,并与3维全电磁波分析软件HFSS的仿真结果进行了比较,二者非常吻合.模式匹配法计算效率高,能广泛应用于微波毫米波元器件及系统结构的设计与优化.

针对单馈源超宽带抛物面天线波束较窄的问题,设计了一种宽波束双馈源超宽带抛物面天线.该抛物面天线是由一个普通的抛物面从中间对称分式,并在中间以平板连接而成的.馈源采用改进型平面TEM喇叭天线,同轴垂直馈电方式.两个馈源分别置于抛物面的两个焦点上.并利用时域有限差分数值方法分析了该天线的辐射性能.通过改变抛物面的结构,调节双馈源与天线主轴的夹角等方法可以有效改善天线的辐射性能.结果表明,所设计的宽波束双馈源抛物面天线可以在远区更宽的空间上形成峰值功率比较均匀的电磁脉冲,在不降低峰值功率的前提下有效地增加了波束的宽度;在抛物面天线两边进行少量切割不会对辐射场产生明显影响,节省了空间.

提出了一种基于二阶波动方程的(2M,4)高阶时域有限差分(FDTD)方法,通过使用辛积分传播子(SIP)在时域上获得4阶精度,使用离散奇异卷积(DSC)方法在空域上达到2M阶精度.与已有的(2M,4) 阶FDTD方法相比,虽然两者都采用SIP和DSC方法,但是此二者的不同点在于:第一,新方法基于二阶波动方程;第二,在离散计算空间时使用单一网格而不是传统的Yee网格;第三,单独计算某一场分量从而节约内存并减少计算量.数值计算结果表明,与传统高阶算法相比,基于波动方程的高阶FDTD方法耗费的机时只有它的50%,内存消耗下降10%,而两者的计算结果之间相对误差小于5‰.

从麦克斯韦方程出发,分析了带状电子注在螺线管磁场中传输时Diocotron模形成的原因;对周期凸起磁场(PCM)聚焦下的电子受力进行分析,分析表明PCM磁场能够抑制Diocotron模.结合理论分析,利用3维粒子模拟程序,对Diocotron模的形成进行了研究,并利用了PCM磁场聚焦带状电子注,抑制Diocotron模.通过粒子模拟研究了磁场大小对PCM磁场抑制Diocotron模的影响,结果表明:磁场减少导致空间电荷力和磁力需要平衡,其侧面包络变厚.

介绍了时域传输线和时域有限差分两种计算电缆X射线瞬态响应的方法,并利用电缆芯线总电荷以及介质层的电荷分布,结合实验结果,分别给出了时域传输线模型中的电流源和时域有限差分模型中电流密度的计算方法.作为例子,在60 keV单能X射线垂直于电缆轴向辐照的条件下,采用两种方法计算了电缆两端接匹配负载时负载上的电流响应;采用传输线方法计算了不同能量X射线辐照电缆时的芯线负载电流响应.计算结果表明,两种方法计算的电缆X射线瞬态响应是一致的;电缆介质层中存在静电场;X射线能量不同时,电缆芯线负载电流存在最大值.计算中,电缆与X射线的作用采用蒙特卡罗方法计算.

在对上海深紫外项目的波荡器建造过程中,应用亥姆霍兹线圈系统测量了全部单磁块,并使用模拟退火法对磁块进行组合排序优化,使反映磁场的成本函数下降了3个数量级.对一段波荡器进行了多次测量、调整,使积分场、峰峰值误差、位相误差等各项指标达到设计要求.

采用电子束直接蒸发氧化铪、无辅助电子束反应蒸发和离子束辅助反应蒸发金属铪3种沉积方式制备了单层HfO2薄膜,对样品的光学性能、结构特性以及激光损伤特性进行了研究.实验结果表明:通过反应沉积的方法可以有效减少缺陷产生并改善均匀性,施加离子辅助可以提高薄膜的折射率,在一定条件下还可以有效地降低吸收,但激光损伤阈值仍未达到直接采用氧化铪制备的水平;晶体结构方面,离子辅助条件下可以获得单斜相氧化铪薄膜,并且随着轰击能量的提高由(002)面的择优取向向(-111)面转变.

采用传统固相反应法制备PZT铁电材料,并制作成平行平板无源电容器结构,在ELV-8电子直线加速器上进行了总剂量效应辐照实验.结果表明:样片经过不同强度高能高速直流电子束辐照后的电滞回线随着辐照强度的增加,电滞回线所包围的面积逐渐减小,饱和极化强度、剩余极化强度和矫顽场呈线性减小.其中当辐照剂量为1×108rad(Si)时,饱和极化强度、剩余极化强度和矫顽场的衰减幅度分别为14.1%,15.0%和2.7%,样片抗总剂量辐照能力可达1×108rad(Si).

诊断电子回旋共振离子源等离子体的传统方法是采用传统的单探针无发射时测量伏安曲线,并根据曲线的拐点由理论公式计算出的等离子体密度.本文设计并研制了等离子体密度的测量装置.采用单根朗缪尔探针(该探针可以用来发射电子)测量等离子体的伏安特性.在探针有发射和无发射两种状态下测量得到两条伏安曲线,根据这两条曲线的"分叉点"得到等离子体电位,然后根据该电位直接由计算机计算出电子温度、电子密度.采用该新方法,测量得到的等离子体参量空间电位约为17 V,悬浮电位约为-5 V,电子温度约为4.4 eV,离子密度为1.10×1011 cm-3,与传统方法计算出的等离子体1.12×1011 cm-3相比,两者相差仅1.8%,但新方法效率和精度更高.

高同步性的多电子束能够驱动产生有利于实现相位控制的多束微波,是高功率微波功率合成的关键技术.对单台加速器驱动强流同步双阴极二极管进行了模拟,在二极管阻抗约10 Ω,输入电压442.6 kV条件下,获得了总功率大于20 GW、总束流为47.6 kA、同步时间差小于6 ns的双电子束.开展了轰击不锈钢目击靶实验和同步双电子束诊断实验,双阴极材料为不锈钢,单个阴极长30 mm,两阴极中心间距为100 mm,阴极发射面采用天鹅绒,单阴极半径为20 mm,在阴阳极最大电压为442.8 kV时,束流峰值总和为48.78 kA,双束流同步时间差保持在4～6 ns范围内,实验结果与模拟符合较好.

利用PIC(particle-in-cell) 粒子模拟方法对长导通等离子体断路开关的断路过程进行了模拟研究.介绍了计算模型的建立和边界的处理.模拟结果揭示了断路间隙的形成过程和机制,并据此对等离子体断路开关断路阶段的现有模型进行了定性的修正,认为断路过程中Hall融蚀和静电融蚀机制将同时存在,静电融蚀在开关最终的断路中占主导作用,且静电融蚀是由于磁场排斥引起的.

以间接馈电的两级螺旋型爆磁压缩发生器为初始功率源,基于等效电路模型,编制了一个螺旋型爆磁压缩脉冲功率源计算程序BCYSSYS.利用该程序对04型爆磁压缩发生器驱动电感负载进行了计算,并将计算结果与实验结果进行比较,两者基本吻合;对该发生器驱动电容负载进行了计算.同时利用铜金属丝电爆炸过程中电阻率与比作用量的关系数据表,对爆磁压缩发生器驱动含电爆炸丝断路开关的电感储能脉冲功率调节系统进行了数值计算.