基于部分相干光的传输理论,研究了部分相干平顶高斯光束通过球差透镜聚焦后轴上点的光强分布.数值计算表明:轴上最佳聚焦点随着球差从负到正的变化而向几何焦点方向移动;光束阶数越大,实现最佳聚焦点越过几何焦点所需的正球差值越小;正负球差对应的最佳聚焦点始终分居于无球差时最佳聚焦点的两侧;轴上最佳聚焦点的光强随着球差从负到正的变化而变小;当正负球差绝对值较大时,光强随球差的变化较为缓慢,而在球差值为0附近,光强随球差的变化比较剧烈.

分析了光纤激光器自相干阵列最简单的情况--两个光纤激光器之间的相位锁定过程.建立了该过程的数学模型,并对它的时间特性和输出光束的模式进行了理论和数值分析,讨论了运行频率差和耦合系数对锁相过程的影响.对于运行频率相等的两个光纤激光器,当两个光纤激光器初始相位差不为0时,相位锁定后的激光器阵列输出模式为异相模;对于运行频率不等的情形,给出了锁相运行对两个光纤激光器运行频率差的要求,并分析了降低这种要求的几种方法.

使用二阶矩和熵束宽定义,对平顶光束通过球差透镜后的光束参数,包括束宽、远场发散角和光束质量因子的变化做了详细研究.结果表明:球差使像方光束参数与理想情况不同;束宽和远场发散角的相对误差随球差系数绝对值的增加和光束阶数的减小而增加;球差使平顶光束通过透镜后的光束质量因子增大;实际焦面上束腰宽度的相对误差与球差系数的正负有关,而几何焦面上束宽的相对误差与球差系数的正负无关.

采用Fox-Li迭代方法,对畸变相差以Zernike多项式展开,计算了不同菲涅耳数的谐振腔在畸变发生时的低阶输出模式,分析了激光器谐振腔内畸变对激光输出模式的影响.对微变形镜的面形以Zernike多项式进行拟合,计算了中心电极的影响函数,并建立了微变形镜控制模型.实验上将微变形镜作为激光器的一个腔镜,验证了微变形镜对激光输出模式的补偿作用.结果表明,内腔微变形镜对激光输出模式具有校正作用,激光基本上可以达到基模输出.

建立了由光纤激光器阵列、薄透镜和衍射光栅组成的频谱叠加理论模型,基于高斯光束的变换和衍射理论,推导出远场光强分布的关系式,探讨了系统参量的优化设计并进行了数值模拟.结果表明:当中心波长激光器的-1级干涉主极大与槽面衍射主极大重合、零级干涉主极大刚好落在槽面衍射的+1级零值极小上、其它波长激光器的-1级干涉主极大与中心波长激光器的槽面衍射主极大重合时,输出光束的衍射效率较高;当光栅平面法线与薄透镜光轴的夹角为衍射光栅槽形角的一半时,输出光束的半角宽度较小.

激光预处理是提高光学元件损伤阈值的有效方法之一.利用输出1064 nm基频激光的SAGA激光器,采用光栅刻线式扫描的方式对镀多层高反物理膜的pickoff镜进行了能量周期递增的预处理,验证激光预处理对其损伤阈值的提高效果.结果表明:零几率损伤阈值平均提高38.8%,而50%几率损伤阈值提高了7.6%,经过激光预处理后pickoff镜抗损伤能力较处理前有了一定提高.

通过电学探测法,采用不同焦距的聚焦透镜,在不同激光能量、不同极性外加电压的条件下,对大气中的飞秒激光自聚焦等离子体电离通道特性进行了实验研究.发现激光脉冲经不同焦距的聚焦透镜作用后均存在较长的电离通道,通道的等效电阻率有所变化,通常电阻率的最大值出现在透镜的几何焦点附近,并且焦距越长,此电阻率的局部峰值点离几何焦点位置越近.在外加不同极性电压时,自由电子受到所加静电场作用力、洛仑兹力以及有质动力的共同作用.焦点前,通道电流变化不明显,加正向电压产生的电流略微大于加负向电压时的电流;焦点后则是加负向电压产生的电流大于加正向电压时的电流.

为进一步提高BFEL的小信号增益和确定激光能量等性能参数,用定态和非定态程序对BFEL激光的能量进行了计算和分析.计算结果表明:采取适当措施,将电子束的发射度由50 πmm·mrad降低到30 πmm·mrad,电子束宏脉冲宽度由5.0 μs增加到6.5 μs,激光传输效率由40%增加到80%,BFEL的小信号增益将由16%增大到28%,输出激光的能量也将提高近一个量级.

在神光Ⅱ高功率激光装置上,利用光学条纹相机观测台阶靶背面的冲击波加热发光,对样品中冲击波的平面性和冲击波速度进行了测量.通过冲击波法测得的腔内辐射温度与软X光能谱仪的测量结果一致,验证了冲击波速度测量的可信度.实验结果表明:在8路能量各为260 J、波长为351 nm的激光注入腔靶时,激光间接驱动的冲击波阵面在288 μm范围内平面性较好,Al样品中的冲击波速度为3.15×106 cm/s,对应的冲击波压力为1.66×1012 Pa.

采用正交偏振干涉测量法获得了典型的快速(RG)和传统(CG)生长的KDP晶体折射率空间分布,数值模拟了倍频晶体固定失谐角分别为0和220 μrad时晶体折射率不均匀性对高功率三倍频光转换效率的影响.结果表明:快速生长晶体的折射率不均匀性的均方根约为传统生长晶体的6倍;三倍频转换效率在低功率密度下对折射率不均匀性不敏感,在高功率密度下尤其是转换效率较高时很敏感;当混频过程中的二倍频光不过剩时,在晶体折射率变化对三倍频效率的影响方面,倍频晶体比混频晶体严重;目前国产的传统生长晶体可以满足高功率三倍频实验要求.

利用"点籽晶"快速生长技术生长了掺杂硫酸钾(K2SO4)的磷酸二氢钾(KDP)晶体,并对硫酸根类杂质离子对晶体的结构及光学质量的影响进行了研究.结果表明:在掺杂相对含量为50×10-6条件下,K2SO4开始对KDP晶体产生一定影响,主要表现在不同扇形区域的结构略有改变,其原因主要在于硫酸根与KDP晶体各扇形结构有关;杂质粒子对晶体透过率、单轴性没有明显影响,但是热膨胀系数增大,光损伤阈值略有降低.

采用化学镀工艺在ICF聚苯乙烯靶丸表面包覆了一层磁性的Ni-P合金镀层,并分别用扫描电子显微镜、能谱仪、X射线衍射仪以及振动样品磁强计对其形貌、组成、结构和磁性能进行了表征.结果表明:通过化学镀工艺制备的Ni-P合金镀层厚度约为4 μm,且为非晶结构,并具有一定的磁性;该磁性ICF靶丸可望用来进行磁悬浮实验研究.最后,对聚苯乙烯靶丸表面磁性涂层的制备机理进行了讨论.

利用Nd:YAG激光器产生的1.06 μm激光束(脉冲能量为500 mJ,脉冲宽度为10 ns, 重复频率为30 Hz)聚焦形成长约8 cm、直径5 cm的激光大气等离子体柱,分别沿激光束方向和垂直于激光束方向探测了该等离子体柱的空间分辨光谱,并由此反演得出电子密度和电子温度空间分布特性.实验结果表明:激光大气等离子体中各种离子和电子呈泪滴型分布,即沿激光束方向不对称,而垂直激光束方向对称分布,最大电子密度1018/cm3,最高电子温度3000 K.

用磁控溅射法分别制备了以Mo膜层和Si膜层为顶层的Mo/Si多层膜系列, 利用小角X射线衍射确定了各多层膜的周期厚度.以不同周期数的Mo/Si多层膜的新鲜表面近似等同于同一多层膜的内界面,通过原子力显微镜研究了多层膜界面粗糙度随膜层数的变化规律.并在国家同步辐射实验室测量了各多层膜的软X射线反射率.研究表明:随着膜层数的增加,Mo膜层和Si膜层的界面粗糙度先减小后增加然后再减小,多层膜的峰值反射率先增加后减小.

采用溶胶-凝胶法,结合氨水后处理工艺制备了抗真空有机物污染的二氧化硅增透膜.该膜峰值透光率为99.8%,在有机污染的真空系统中(10-3Pa)保持168 h,透光率曲线变化微小,而同样条件下常规二氧化硅增透膜的峰值透光率下降至95.5%.并采用分光光度计、红外光谱、扫描探针显微镜、静滴接触角测量仪、椭偏仪等测试手段分析了薄膜的特性.

利用神光Ⅱ第九路2 ns长脉冲激光束作用厚钛固体靶,研究了产生的keV X射线源的辐射区域和总辐射功率的时间行为.结果表明:在长脉冲激光作用厚固体靶时,硬X射线线辐射功率的时间行为以及辐射体积的时间行为与激光脉冲波形一致;长脉冲时,等离子体2维膨胀效应非常显著,keV X射线线辐射的径向辐射区域在激光焦斑尺寸附近达到饱和,导致X射线线辐射功率出现饱和,且keV X射线线辐射的辐射体积正比于焦斑尺寸的3次方.从理论和实验角度研究了在同样入射激光能量下,辐射功率随激光焦斑尺寸的变化关系,发现keV X射线线辐射的饱和辐射功率正比于焦斑尺寸的5/3次方,理论结果与实验结果一致.并讨论了相同基频输出激光能量下,keV X射线辐射总功率随激光波长的变化关系,发现即使考虑了倍频效率的影响,短波长激光仍然有利于keV X射线的发射.

在神光Ⅱ第9路ICF高功率激光装置中,采用可调法布里-珀罗(F-P)滤波器对幅度调制效应进行补偿,根据补偿装置的技术要求,提出一种应用nm量级精度的电容式位移传感器对可调F-P滤波器间距稳定度进行监控的系统,详细论述了监控系统的结构与工作原理.给出了电容式位移传感器的驱动电路及数据处理与控制软件的设计方案,并对电容式位移传感器的精度进行了标定.实验结果表明,该位移监控系统能够使可调F-P滤波器的间距稳定度保持在15 nm/h以内,使幅度调制效应的调制深度优于4%.

瑞利-泰勒不稳定性增长的准确估计是激光聚变的重要研究课题.在神光Ⅱ装置上,利用面向背光照相技术对正弦调制平面靶的瑞利-泰勒不稳定性增长进行了实验研究,得到了清晰的时空分辨图像;采用傅里叶变换取基模法和求波峰波谷差值法分析了实验结果;两种方法得到的靶扰动增长因子相同.实验中平面靶扰动增长较小可能是密度梯度致稳和烧蚀致稳抑制了扰动增长,也可能是扰动进入了非线性阶段而使增长不大.

使用耦合波法以及特征矩阵法计算了周期膜堆结构以及介质压缩光栅的本征值,研究了介质型压缩光栅产生导模共振现象的条件,并计算了导模共振点附近光栅的衍射效率曲线.针对导模共振效应对光栅应用的影响,提出了一种避开该效应的方法.计算结果表明:当介质折射率呈周期变化时,取光栅周期为0.667 μm,深度为0.6 μm时,可以避开导模共振效应.

基于计算电磁学中对强迫激励源消除虚假反射的算法分析,提出了用等效电流和等效磁流在FDTD公式中引入电场激励源和磁场激励源的方法.从粒子模拟方法的基本方程和迭代公式出发,分析了激励源的引入过程,推导出激励源所等效的电流项和磁流项表达式,实现了新的激励源设置方法,并进行了数值验证和结果讨论.研究表明:这类等效模型与标准FDTD公式能紧密结合,引入非常方便;不必专门设置一个附加的散射场区来处理散射场的计算,大大节省了计算时间和计算内存,比常规总场/散射场体系方法的效率高20%以上,对粒子模拟这类耗时的计算较为适用.通过对2维柱坐标系下相对论速调管放大器(RKA)的模拟,证明了此类激励源设置方法的实用性.

通过实验和粒子模拟相结合的方法对L波段MILO在低真空度下的工作特性进行了研究.实验和模拟中都观察到了低真空情况下MILO的功率增强和频率升高,在2 Pa内,粒子模拟中没有观察到脉冲缩短现象,实验上脉宽略有下降,但是辐射微波单脉冲能量增大,MILO工作性能在低真空下有一定提高.研究发现适量等离子体填充同样可以改善MILO工作性能.

从理论上详细研究了飞秒激光在周期极化非线性晶体中由光整流效应产生的太赫兹(THz)波辐射.利用天线辐射原理和光栅衍射理论,着重研究THz波辐射的频域场和时域场的分布.讨论和分析了THz波辐射的中心频率、频谱宽度和电场随辐射角的变化.研究表明,THz波的带宽反比于晶体的长度或光栅数,电场随辐射角呈准谐波变化.

根据同轴插板式相移器的基本工作原理,对该相移器进行了数值模拟与优化设计,并重点研究了其结构工艺和相移控制方式.在此基础上研制了一个中心频率为4.1 GHz的相移器模型,并通过矢量网络分析仪进行了实验测量.测量结果表明:在4.0～4.2 GHz的频带范围内,该相移器可实现90°的相移量,相移量化精度为1°,相移精度为±10°,相移器插损1.5 dB.

为X波段高峰值功率速调管功率合成输出结构设计了一个工作在9 GHz的转向波导,用于连接功率合成器和速调管输出腔.转向波导结构由中心矩形谐振腔、两个矩形耦合孔和两边的输入输出波导组成;输入和输出波导由速调管输出腔和功率合成器确定,分别工作在TE10和TE01模式,它们相互垂直并偏离矩形谐振腔的中心;中间的矩形谐振腔工作在TM110,TE101和TE011混合模式.这种转向波导结构的3个反射零点构成了较宽的传输通带.将连接转向波导结构的功率合成器加载到速调管输出腔,计算了功率合成器加载后速调管输出腔的间隙阻抗.计算结果表明:功率合成器的加载对输出腔间隙阻抗影响不大.设计的转向波导结构很好地应用到了速调管功率合成输出结构中.

推导了无线电窄波束在电离层中传输的非线性几何光学方程,分析了无线电窄波束在低电离层中传输的聚焦和散焦原理,推导出了散焦参数和聚焦参数的计算公式,研究了无线电窄波束在低电离层中传输的散焦现象,讨论了电波频率和功率对发散波束宽度的影响.计算结果表明:低电离层主要表现为一种散焦介质,使电波波束发散,当电波频率较低并且功率较大时,波束散焦现象非常明显,使到达目标点的功率密度大幅度降低,而当频率达到数GHz时,波束散焦现象很微弱.

运用全电磁2.5维粒子模拟软件MAGIC和3维高频结构仿真软件HFSS,模拟仿真了正-负双跳变慢波结构对螺旋线行波管电子效率的改善,从慢波系统高频参量、非同步参量、增益参量和电子注相位等角度进行了讨论.设计并加工了一支采用双跳变结构的螺旋线行波管,实测结果表明:采用双跳变结构后可将电子效率从19%提高到29%;模拟仿真方法得到的平均相对误差为5%左右.

对阶梯阴极型L波段磁绝缘线振荡器(MILO)进行了实验研究.介绍了测试方法与测试系统;开展了阴极电子发射实验,发现阴极电子发射不均匀是对称结构MILO产生非对称微波模式的最关键的因素之一;并对二极管屏蔽环尺寸、扼流片半径、提取间隙等进行了研究.在电子束电压约420 kV、电流33 kA的条件下,得到了阶梯阴极型L波段MILO的高功率微波辐射功率为1.22～1.47 GW,脉宽大于20 ns,频率为1.21 GHz,束波转换效率约为10%,器件产生微波模式为TM01模,经过模式转换器后的辐射模式为TE11模.

研制了一种电阻值为20 Ω的用于强流电子束加速器调试的大功率匹配负载.该负载已应用于基于水介质螺旋脉冲形成线强流电子加速器的调试.在该匹配负载上获得了较好的电压和电流波形,其电压幅值为200 kV,电流为9 kA,脉冲半高宽为150 ns.根据研制的匹配负载的几何尺寸,对该匹配负载的电感、电容进行了理论计算,得到的电感和电容值分别为2.12×10-8 H和4.51×10-10 F;并用PSpice软件对脉冲方波加载到匹配负载进行了模拟计算,用ANSYS软件对匹配负载的电场分布进行了模拟,理论和模拟结果与实验测量值基本一致.该匹配负载具有电感小和结构简单等特点,对匹配负载温升的理论计算表明,该匹配负载也可以用于重复频率小于10 Hz的加速器调试.

应用D-dot探测器进行了阳加速器水传输线电压测量,利用探头与高压电极之间的结构电容获得脉冲电压的微分信号,通过RC积分取得电压信号.利用Pspice软件的瞬态分析功能模拟结合实验结果估算了探测器的杂散参数,进行了幅频响应特性分析;运用频响分析解释了测试结果.在加速器低电压短路实验状态下,用电阻分压器对其进行了在线标定.测量结果表明D-dot探测器获取了正确的电压波形,且工作稳定可靠.

采用等边三角形结构的铁芯,次级线圈分成40级,分别进行三相全波整流,每级输出直流30 kV,串联后获得1.2 MV/A的直流高电压大功率输出.电源的能量转换效率大于95%,漏抗高达21.7%.采用无滤波电容结构,次级线圈星型/三角型接法交替使用,纹波系数小于±4%.整个电源密封在压力钢筒中,充0.8 MPa高纯度SF6气体作为绝缘介质,最大工作场强小于130 kV/cm.设计了专门的SF6气体冷却系统,气体温度控制在60 ℃以内,高电压由充气同轴传输线输出.在小负载条件下,电源各项指标满足技术要求,已经安装在1.2 MW,1.2 MeV大功率直流电子加速器上进行整机联调.

介绍了利用飞行时间技术测量Z箍缩装置单氘丝中子发射.实验发现,Z箍缩中子发射过程中,伴随产生很强的硬X射线,利用铝丝阵产生硬X射线的实验,建立较好的硬X射线屏蔽,大大减弱了它的辐射强度.所采用的双闪烁探测器中子探测系统,进行了3个发次的单氘丝负载实验,确认产生了聚变氘氘中子.4172发次实验测量结果表明,中子产额1.5×109,中子能量为(2.45±0.26) MeV.实验结合分幅照相数据分析认为,峰电流和负载未能很好匹配,等离子体存在不稳定现象.

利用强流脉冲离子束(HIPIB)对316L不锈钢进行了表面辐照处理,研究了HIPIB辐照对其在0.5mol/L H2SO4溶液中电化学腐蚀性能的影响.极化曲线测量结果表明,HIPIB辐照能够显著提高316L的抗腐蚀性能,自腐蚀电流对辐照次数的依赖性与自腐蚀电位相比明显较强.采用扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射(XRD)和电子探针(EPMA)分析辐照后试样表面形貌、表面层相结构和元素分布的变化.结果表明:HIPIB辐照使试样表面光滑化,表面层产生择优取向,且发生了杂质元素的选择性烧蚀,是316L不锈钢耐电化学腐蚀性能得以提高的主要原因.

推导了沿单负介质薄板波导传播表面波的特性,根据本征方程运用图解法得到沿介电常数为负的单负介质薄板传播的奇偶对称TM型表面波的色散曲线图和能流分布图.发现表面波在单负介质波导中传播比在双正或双负介质波导中慢,场和能量集中于介质板的上下表面, 一定频率范围内奇偶表面波型能流反向;单片单负介质板能实现功分器和定向耦合器的功能,简化了传统的复杂结构,在发展微波器件的小型化方面有着潜在的应用价值.

利用脉冲分子束-激光电离-飞行时间质谱仪,在109～1012 W·cm-2激光功率密度条件下,考察了Nd:YAG激光器输出的1 064,532,266 nm波长的激光与苯、氨、硫化氢等团簇的相互作用.发现1 064 nm的激光可以电离分子束产生高离化态的C4+,N5+,S6+等离子;波长为532 nm的激光则电离产生价态较低的C3+,C2+,N3+,N2+, S4+,S3+以及S2+ 等离子;在266 nm波长条件下进行实验,没有产生任何高价离子.提出了一个"多光子电离引发-逆轫致吸收加热-电子碰撞电离"模型来解释高价离子的产生.激光场下电子在团簇内部的逆轫致加热是整个过程的关键步骤,电子被加热的速度正比于激光波长的平方.这可以解释为何长波长的激光有利于更高价态离子的产生.

用基于密度泛函理论广义梯度近似下的平面波赝势方法计算了在Pd(111)晶面两种不同CO分子取向的吸附结构.计算结果表明,CO分子碳端和氧端靠近Pd(111)面的吸附能分别为-1.75,-0.28 eV,碳端吸附的结构比氧端吸附能力强.因此,分子取向影响CO在Pd(111)面上的吸附,通过控制CO的取向可能减小Pd(111)的吸附进而减弱Pd(111)面CO分子的中毒.

针对高能闪光照相系统成像信噪比低的特点,提出了3维约束共轭梯度算法,该算法基于3维重建理论来重建方程,利用约束共轭梯度法迭代求图像重建的最优解.数值模拟结果表明:采用3维约束共轭梯度算法能有效改善高能闪光照相重建图像轴线噪声大的问题,是一种具有很高抗噪能力的闪光照相图像重建算法.

采用传输线模型,利用时域有限差分方法计算了辐照和电流注入两种试验环境中电缆屏蔽层电流对芯线的耦合响应,并对响应规律进行了研究.计算结果表明:电流注入时近端负载电压峰值最小,辐照时次之,电流注入时远端最大;负载电压峰值、负载能量与屏蔽层电流源幅度等比例变化;相比较前沿的变化而言,改变屏蔽层电流源前沿对负载电压峰值和负载能量的影响不大;屏蔽层电流源半高宽较小时,负载电压峰值、负载能量与半高宽是非线性关系,屏蔽层电流源半高宽较大时,负载电压峰值、负载能量与半高宽成线性关系;电缆较短时,改变电缆长度对负载电压峰值有影响,而电缆较长时,只会影响电缆负载能量.

采用多晶LaB6材料制成平板二极管阴极,阳极采用钼材料,阴极采用热传导与热辐射加热,加热体为石墨.实验研究了不同阴极温度、不同真空度下的脉冲发射特性,并对热发射稳定性进行了分析.结果表明: 在动态真空系统中, 阴极发射面积为0.012 1 cm2, 工作真空度为2×10-4 Pa, 阴极温度分别为1 600, 1 650和1 700 ℃,在脉冲宽度为40 μs、重复频率为107 Hz的条件下,最大脉冲发射电流密度分别为34.0,44.0和53.8 A/cm2;2×10-4,5×10-4和2×10-3 Pa压强下的发射能力没有明显的差异;脉冲宽度的变化不影响发射电流密度的变化.

设计了一个两电极气体火花开关,开关的主体部分仅包括阴极、阳极两个主电极,以及金属外壳和绝缘支撑外壳,两电极结构取消了触发极,消除了由于触发极烧蚀影响开关寿命的问题.开关设计工作电压23 kV,单脉冲能量1.2 MJ,峰值电流300 kA,单次脉冲电荷转移量110 C.初步试验阶段开关工作电压达到15 kV,开关的通流180 kA,电荷转移量为47.85 C.开关触发性能可靠,电极烧蚀均匀.