为改善TEA CO2同轴非稳腔激光器输出光束质量,采用涡流管低温气流冷却窗口及凸镜,实验实时测量了单脉冲平均能量18.3 J、在不同工作频率下及是否采用涡流管冷却情况下的光束模式,并计算出衍射极限倍数因子值.激光器工作频率3 Hz,连续运行300 s,没有涡流管冷却时衍射极限倍数因子值由3.52变化到6.94;采用涡流管冷却后,该值仅由3.50变化到3.88.

对几类环形增益区谐振腔进行了比较,得出利用谐振腔两镜之一的全工作面输出的新型环形增益区谐振腔是适合的谐振腔.提出了一种计算全工作面输出的同轴放电环形增益区谐振腔镜面场分布的方法,利用几何方法对腔镜镜面进行划分,得出了基于菲涅尔-基尔霍夫衍射积分定理的积分区域,并对该区域进行了有限元划分,应用计算机编程计算出了同轴放电环形增益区谐振腔镜面处的光场分布和相位分布.近场分布在环形区中央部分近似地呈高斯分布,且沿径向出现高阶模场分布特点,沿角向无差别.

以黑碳和水两种成分组成的内混合单分散气溶胶粒子为例,根据其各消光效率因子、吸收效率因子和散射相函数,分析了用等效折射率来描述含有不同成分的内混合气溶胶系统的适用性.结果表明:在瑞利散射区和几何光学区内,内核(碳粒)体积比为0.01,0.1,0.5,0.9时,消光效率在大多数尺度参数下等效性都很好,但在米散射区内相对较差;当体积比大于0.3时,其吸收效率、消光效率等效性较好;除瑞利散射区外,散射相函数在各体积比下的等效性都很差.当考虑内混合气溶胶粒子系统的散射和吸收特性时,一般不难找到等效折射率,但在光散射技术中,应用相函数反演等效折射率的可靠性还有待商榷.

运用掺镱双包层光纤放大器的理论模型,分析了连续和脉冲光放大时放大自发辐射(ASE)的计算方法.采用Runge-Kutta方法求解了考虑ASE稳态时掺镱双包层光纤放大器的放大特性,采用有限差分法求解了矩形、高斯和超高斯脉冲的放大特性.结果表明:用3m长的双包层光纤、10 W的泵浦功率可以将脉宽3 ns、峰值功率为1 W的脉冲信号光峰值功率放大到15kW左右;在饱和增益情况下,脉冲的波形变尖,宽度变窄;采用短的大模场双包层光纤和后向泵浦方式可以有效地降低ASE,并避免有害非线性效应.

保持CO2激光的单脉冲能量为61.4～64.6 J,采用高精度冲击摆系统进行了不同气压下吸气模式激光推进冲量耦合系数的实验测试,分析了对应的高度特性.结果表明:气压为2.8×104～1×105 Pa,即距离地面0～10 km时,冲量耦合系数大约3.5×10-4 N·s·J-1,上下波动幅度低于5%;气压低于2.8×104 Pa,即高度大于10 km时,冲量耦合系数呈二次曲线显著下降;当气压降至1×103 Pa,即距离地面约31 km高度时,耦合系数仅为9.7×10-5 N·s·J-1.

针对高功率激光相位共轭装置的应用需求,阐述了布里渊增强四波混频(BEFWM)在这一领域的应用潜力,并就该大信号强相互作用条件下BEFWM的作用机理及输出特征进行了系统的理论研究,揭示了BEFWM瞬态响应速度、共轭光波形保真度及稳定性、能量转换效率均随注入信号光的增强而提高的作用特点,为该技术在中高强度激光相位共轭系统中的实际应用提供了理论依据.

基于云的边缘特征和天空亮度分布特征,对有云天空场景的仿真方法进行了研究.分析了云对天空亮度影响,并据此提出了一种基于分形原理的云场景仿真方法.通过辐射传输理论,给出了有无云天空的光谱亮度分布计算方法.在分析了云边缘具有自相似分形特征基础上,利用有云天空亮度分布特征、二次随机法和分形几何的Diamond-Square算法设计了云纹理生成算法.利用混合修正δ-Eddington近似计算出了观察视场2°×2°内640×480单元的2维天空亮度数组.利用该理论模型得到有云天空的2维亮度数组,并用VC++实现了云场景的动态仿真,得到了较为逼真的结果.

采用光纤缠绕方法,对国产大模场面积多模光纤激光器缠绕前后的输出性能进行了对比研究.将光纤激光器输出端在半径为65 mm的圆筒上缠绕两圈后,获得了单横模输出.光纤缠绕前后,激光器的光束质量因子由1.24减小为1.06,斜率效率由64.7%减小为54.3%.当泵浦功率为149 W时,缠绕前后的输出功率分别为94.7 W和79.4 W.虽然缠绕后功率有所减小,但激光亮度增加了15%.同时对实验所用光纤的缠绕损耗进行了理论计算,实验结果与理论计算值符合得较好.

针对高功率固体激光装置主放大器中以布儒斯特角放置的大型光学元件,设计了一套损伤在线检测系统.该系统利用望远系统倍率不变特性实现了多个光学元件在线等精度、等分辨率检测;采用景深理论,通过仔细调节孔径光阑的大小,以达到既能测量同一倾斜光学元件上的不同损伤点,又能减小相邻光学元件间损伤信息相互影响的目的.通过亮场成像纵向定位损伤位置,而利用暗场成像横向定位损伤的大小.实验证明了该方法的可行性和有效性.该检测方法适用于各种多个倾斜放置的光学元件的损伤在线检测.

从非局域非线性薛定谔方程出发,采用分步傅里叶算法数值讨论了在一定的非局域程度条件下,(1+2)维空间光孤子的传输特性, 数值求解了光孤子各特性参量.假定非局域克尔介质的响应函数为高斯型,得出了在一定的非局域程度条件下空间光孤子的数值解,并数值证明了它们的稳定性.结果表明:(1+2)维光孤子对非局域程度依赖性很强.在一定的非局域程度下,光束能以光孤子态在非局域克尔介质中稳定传输.强非局域时,光孤子的波形是高斯型,其它的非局域程度下,不是高斯型.当非局域程度较弱时,不存在孤子解.

介绍了高能激光在线测试的原理、方法,分析了其不确定度的来源.基于测量模型中有两个变量是相关的,且变量本身又是动态的,以部分试验数据为基础详尽地阐述了实验中异常值的剔除、A类标准不确定度及合成标准不确定的处理方法,其中采用了工程近似方法,使问题得到了简化.

利用数值仿真方法对一种基于线性相位反演波前测量方法的性能进行了详细分析.讨论了这种线性相位反演波前测量方法的定标过程,描述了基于线性相位反演算法的波前传感器的基本组成结构.利用数值仿真计算,分析了系统自身像差和模式标定系数对这种波前传感器性能的影响,通过复原矩阵条件数,分析了靶面像素和这种波前测量方法的空间分辨力的关系.仿真结果验证了该种新型线性相位反演波前测量方法的可行性.

运用Bulk方法对东南沿海和合肥一水库附近的折射率结构常数进行了估算,为避免海边海盐对金属丝的污染,用高精度超声风速仪替代温度脉动仪测量折射率结构常数.模式主要输入的参数有气温、地表面温度、湿度、风速及测量点高度.结果表明:运用Bulk方法估算折射率结构常数是可行的,相似性函数分别采用Frederickson公式与Thiermann公式,差别不大;直接测量海面上折射率结构常数比较困难,通过输入海表面温度、海面上的粗糙度长度以及适合的相似性函数,可用于估算海面上的折射率结构常数.

研究了4f结构的飞秒脉冲时空变换整形装置在各元件间距不等的情况下对脉冲输出特性的影响,理论分析了间距失调效应对等间距和不等间距达曼光栅滤波器的脉冲输出特性的影响.结果表明4f结构间距失调后无论是能量还是平均度都不如等间距高,中心脉冲能量变小,其它级次脉冲生出更多旁瓣;失调量越小,输出的脉冲质量越高,对于f为12 cm的装置,当失调量小于1 cm时,对输出脉冲影响较小.

整理惯性约束聚变激光装置的运行记录和氙灯的故障数据,得到10种氙灯故障现象,并且归纳为3类,即触发故障、绝缘故障和氙灯爆炸,按故障发生时间可以分为"引发失效"的故障和"舍生取义"的故障.分析3类氙灯故障与片状放大器组件以及装置打靶成功率的逻辑关系,生成基于氙灯故障的装置打靶故障树,描述氙灯可靠性对于装置打靶成功的重要性.分析氙灯的生产工艺流程和工艺缺陷,生成氙灯的故障与工艺的鱼刺图,揭示氙灯故障的根源.

采用了1维简单模型来模拟气体靶的空间密度分布情况,并且该计算值得到了实验的验证.使用M-Z干涉仪诊断锥型喷嘴喷射的气体靶密度分布,得到了不同压力和不同延时下的干涉图样.自行编写了实验数据处理程序,得到了不同情况下气体密度的空间分布.在相互作用实验中,由气体分子密度随压力的变化,可以确定合适的压力,以获得预期的气体靶密度;由气体分子密度随时间的变化,可以确定激光与气体的作用时刻.

介绍了一种新型阵列口径的固体片状激光器的设计及初步实验,研究了其激光输出特性.激光器采用2×1阵列的以布儒斯特角放置的片状Nd:YAG激光头模块,并采用氙灯泵浦方式,由平均功率为60 kW电池组电源供电;电源采用大电流恒流放电,对输出放电进行可编程控制.实验得到32 J的单脉冲输出,小信号增益系数为0.047 5 cm-1;泵浦单脉冲运行,脉宽为1～5 ms时,输出能量呈线性增长;当重复频率为20 Hz时,5 ms脉宽比1 ms脉宽输出功率下降30%,其原因是布儒斯特角结构存在时,由热应力引起的热致双折射损耗造成输出下降.

考虑到空间滤波器系统在激光装置中的稳定性要求,分析了影响稳定性的各种因素.对现行装置中的SF4空间滤波器系统进行振动模态测试,初步确定系统的工作状况,并结合振动理论明确系统稳定性的设计参数.利用有限元软件ANSYS对空间滤波器系统及相关的设计进行仿真验证计算.结果表明:SF4系统的一阶固有频率达到83 Hz,与实验结果相符合,满足系统稳定性的要求;在系统中引入支撑不但能有效增加系统的刚度,同时能转移系统的振型;系统基础支撑平台的选择要求平台独立,并且选择较低的高度以便于控制上层光学元件的变形;在系统中的引入波纹管这种弹性连接,能降低系统变形量,并且通过改变波纹管的厚度能实现连接刚度的改变.上述设计可在神光装置其它系统结构中应用.

为了能够精确地完成对大口径高陡度非球面在细磨和抛光过程中的测量,提出了一种将子孔径拼接技术和补偿技术相结合的检测方法.介绍了该方法的基本原理,建立了合理的数学模型,编制了拼接计算软件.利用该方法对一外形尺寸为400 mm×300 mm的高次离轴非球面进行了测试,通过最小二乘法拟合消去各子孔径相对基准子孔径的调整误差以及整个系统的装调定位误差,得到了准确的全孔径面形分布.对实验精度和误差来源进行了分析,并将拼接面形与全孔径测量面形相对比,二者是一致的.

利用介质薄膜中包裹物的热理论模型,结合S.Papernov 等利用电子束蒸发技术在熔融石英上沉积含Au包裹物的HfO2薄膜实验,得出Au的吸收截面.以包裹物Au为例,计算了脉冲激光作用下不同包裹物半径对损伤阈值的影响,分析了重复率脉冲激光作用下薄膜损伤阈值的变化及重复频率与激光损伤阈值的关系.结果表明:随着包裹物半径的增加,激光损伤阈值先减小,接着增加而后再减小.激光损伤阈值与脉冲宽度的0.4次方成正比.随着脉冲重复频率的增加,激光损伤阈值单调下降,产生损伤所需的最小脉冲数则单调上升.

研究了2.2 m高真空箱式镀膜机镀膜时的实际膜厚分布情况.对非球面和平面光学元件,分别采用行星夹具和平面公转夹具并利用修正板调节膜厚均匀性.从实验上实现了大口径薄膜均匀性的调节,并获得较为理想的结果.口径在700 mm范围内,对于凹面均匀性可以控制在0.7%以内,平面均匀性在1%以内;口径在1 200 mm范围内凹面元件均匀性可控制在1%以内,平面1 300 mm口径以内窗口均匀性可控制在1%以内.镀制了口径在400～1 300 mm的多种天文观测上使用的反射镜、增透膜等,获得了理想的光谱曲线与较好的使用效果.

探讨了泡沫镍制备过程中,聚氨酯泡沫模板上的低温化学镀镍工艺,考察了镀液温度、pH值、主盐与还原剂浓度对沉积速率的影响.得出了适宜的工艺条件:硫酸镍30 g/L、次亚磷酸钠30 g/L、柠檬酸钠10 g/L、氯化铵30 g/L,镀液pH=9.0～9.5、温度45 ℃.在该工艺条件下,化学镀过程稳定,沉积速率可达40 mg/(cm3·h).化学镀镍后经电镀、热解和还原退火处理制得泡沫镍,其样品呈3维网络状结构,密度为0.74 g/cm3,孔隙率为91.7%.

光束通过神光-Ⅲ原型装置四程放大系统发生了90°旋转和扩束.在四程放大系统腔镜处放置变形镜校正系统像差是一种新的自适应光学方案,推导出被校正像差与变形镜面形之间的数学关系.理论推导表明,在扩束比大于1的前提下,腔镜处变形镜可以校正系统输出的任意类型的像差,且变形镜对应的面形唯一.理论分析和计算仿真说明该方案的校正能力与像差类型和扩束比有关,扩束比增大将增强变形镜校正像散的能力,但系统旋光消像散的能力也将减弱.

对于在速调管中广泛使用的重入式谐振腔以及内部无漂移管的盒形腔,在忽略漂移管壁厚的前提下,导出了能够准确求解其谐振频率的本征方程,并在此基础上进一步计算了腔体的特性阻抗和固有品质因数.针对具体算例的应用表明,由解析式确定的腔体特性参数与SUPERFISH的数值结果具有很好的一致性.

为扩展速调管输出回路的带宽,进一步分析了双间隙耦合腔的模式重叠理论,说明了实现三模重叠的可能性,采用等效电路法计算了三模重叠双间隙耦合腔型输出回路的阻抗频率特性.以中心频率3 GHz的输出回路为例,建立了3维计算模型,给出了设计这种输出回路的步骤和结构参数.用场分析法计算了间隙阻抗频率特性,结果表明:此输出回路2 dB相对带宽接近15%,加载滤波器后1.5 dB相对带宽可达19.3%.

引入角度偏差、位移偏差作为拼接光栅系统的物理参数，定义了拼接光栅的孔径函数，利用傅里叶角谱理论研究了高斯脉冲入射拼接光栅压缩器后的远场分布特性。研究表明；出射脉冲仍然是高斯型脉冲，但包络中心发生偏移，偏移量由角度偏差量和光束口径决定；位移偏差引入的相位随着拼接光栅压缩器传递，其对远场焦斑的影响，取决于每片子光栅的非整数倍光栅常数的横向位移偏差和纵向位移偏差的综合作用。通过数值计算得到了各维偏差对阵列光栅压缩器空域特性的影响，计算表明：光栅面外角度偏差（俯仰左右）和条纹平行度偏差都必须控制在1μrad以内，在此范围内，应将位移偏差控制在52nm以内。

功分器在微波工程中广泛应用.基于有损耗的Lorentz模型的时域有限差分(FDTD)方法,分析模拟了左手材料(LHM)的平板结构和环状结构对电磁波源的不同聚焦特性.每个左手材料边界均可以对波源发出的波进行聚焦.同时通过比较,在对称结构中,每个聚焦点的电磁场幅度都相同.说明该左手材料结构可以对电磁波源进行多点聚焦.

分析了过渡区中电子注调节的基本原理,设计了一种渐变式的过渡区结构,其注腰半径为0.8mm,周期均匀磁场峰值为0.29 T,周期为4.5 mm,压缩比为22.该结构能够在减小电子枪压缩比的情况下对电子注进行再压缩,得到符合互作用要求的电子注.将采用渐变式过渡区结构的电子注匹配与采用传统方法的电子注匹配进行了比较,模拟结果表明:采用渐变式过渡区结构匹配电子注不仅能有效改善电子注的层流性(波动性为8%),还能够提高电子光学系统的稳定性.根据此方法对Ku波段6kW行波管的电子光学系统进行了模拟计算,得到了良好的设计结果.

定子线圈中的电流在空间中产生的磁场是金属导体(套筒)膨胀压缩的主要对象,该磁场直接影响爆磁压缩发生器输出电流脉冲的大小.给出了面电流分布下2维磁场的计算公式,较点电流分布下的磁场公式更能细致准确地反映出磁场的变化.数值结果表明:面电流分布下的磁场公式不仅能准确地描述磁场的变化,而且计算效率大大提高,节约了计算时间.

借助自主开发的2维半导体器件-电路联合仿真器,研究了电磁脉冲从发射极注入双极型晶体管时,外电路的影响,分析了共基极接法晶体管的电流分配系数,然后在此基础上研究了3种典型外电路元件的影响.结果表明:当脉冲从发射极注入时,基极外接电阻对器件烧毁过程影响不大;集电极外接正电压源等效于削减电磁脉冲的幅度,有延缓器件烧毁的作用;集电极外接电阻能明显提高器件对电磁脉冲的耐受性.

缩短两级爆磁压缩发生器输出脉冲宽度的一种有效办法是增大第二级螺旋线圈的锥角,但增大锥角会降低发生器电感压缩比,合理的锥角设计是此类发生器的关键.介绍了三种能带大电感负载、结构紧凑的两级爆磁压缩发生器,第一级结构参数相同,第二级螺旋线圈锥角分别为6°,8°,10°.在电感负载上进行的实验结果表明:其输出电流分别达到140,90和50 kA,电流脉冲宽度分别为12.5,8.5和6.3 μs,对应的名义输出功率分别为7,7和3 GW.

为满足清华大学加速器实验室光阴极微波电子枪实验平台的发展需求,设计了束团电荷量测量系统,可以实现实时测量加速器束团电荷量的目标.这套测量系统基于积分束流变压器,包括前置放大器、门控积分器、模数转换和数据传输模块.利用信号发生器模拟束流,对整套系统进行了离线测量实验.当前置放大器放大倍数取200和20时,AD转换值和束流电荷的比值分别为2.181 PC-1和0.195 PC-1,与理论值2.070 PC-1和0.207 PC-1基本吻合;其对应的电荷量测量误差分别小于2 PC和15 PC.测量结果和模拟束流电荷量值的拟合曲线线性度好,相关系数的平方均大于0.999 0.该结果验证了系统的可行性.

带电粒子在轴对称磁场中一边沿着对称轴向前运动,一边绕对称轴旋转.所以横向运动可以分解为两部分:聚焦运动和子午面的旋转.因此,4维横向传输矩阵可以表示为聚焦矩阵和旋转矩阵的乘积.用旋转矩阵和聚焦矩阵重新推导了总的传输矩阵.然后给出了相应的相椭圆系数矩阵来进一步估算从ECR离子源引出束流的发射度.详细地讨论了束流分布函数的二次矩.

介绍了一台基于电偏转扫描方法的强流离子束发射度仪,讨论了发射度仪硬件的系统构成和设计要点,该发射度仪采用阶梯型电压对通过前缝的束流进行扫描来获得束流散角信息.并对测量计算软件和数据处理方法进行了介绍,采用了先扣除本底,再设置阈值的方法进行数据处理.处理后的数据利用程序可获得均方根和边界发射度、束斑大小、最大正负散角以及发射度相图.利用该发射度仪对ECR离子源引出的强流质子束的发射度进行了测量,并对测量数据进行了分析.对于引出电压为50 kV、脉冲重复频率为166 Hz、脉冲宽度为1 ms、平均束流强度为4 mA的质子脉冲束,其归一化均方根发射度为0.27 πmm·mrad.

在分析高能闪光照相中传统实验方法不足的基础上,提出了采用Monte Carlo模拟结果来建立底片光学密度与照射量之间的关系,并对一个球对称客体进行了实验照相.采用Monte Carlo方法分析了底片光学密度分布左右不对称的各种因素,认为底片光学密度分布左右不对称主要是照相器件几何对中不理想造成的,并说明了底片光学密度左右平均的合理性.在此基础上介绍了H-D曲线的生成方法,采用Silberstein理论得到了具有较高精度的H-D曲线.这种结合Monte Carlo模拟的H-D曲线测量方法不但避免了照射量测量误差,而且还考虑了H-D曲线对X射线能谱的依赖关系,更能体现实际情况,具有较高的精度.可用于球对称客体或柱对称客体的辐射照相.

先进燃料D-3He聚变产生的高能带电粒子在本底等离子体中慢化时间的准确性直接影响到能量平衡和高能离子压强的计算结果.结果表明:高能带电粒子与本底等离子体的离子相互作用的库仑对数量子力学效应明显.应使用高能带电粒子库仑对数力学效应来研究聚变产生的高能端部粒子慢化过程;能量大于等于25Z2iZ2tAt keV的高能粒子与本底等离子体中离子的相互作用库仑对数最好也使用量子截断.

介绍了热中子照相的MCNP数值模拟方法,模拟了300#反应堆Maxwell谱热中子束穿透样品射到转换屏的过程,给出了热中子对铝、铅、铁、铜的穿透能力,分析了引起模拟与实验结果不同的原因.通过模拟得到了清晰的图像,对比数值模拟与在300#反应堆中子照相装置上的实验结果,数值模拟结果图像与实验结果图像非常相似;散射中子对图像的影响也符合相同的规律,随着样品与转换屏之间的距离的增大,散射中子对结果图像的影响越来越小,当样品与转换屏之间的距离为样品尺寸的2倍时可以忽略散射中子的影响.

描述了用于激光等离子体X射线光谱研究的椭圆弯曲晶体谱仪系统。在“神光Ⅱ”第九路激光上对该谱仪进行标定实验，刺用CCD相机成功地获得了激光等离子体铝和钛离子的K壳层和金离子M壳层谱；通过研究和辨认谱线，得到了X射线光谱，同时还给出了实验测定的谱仪分辨率。椭圆弯曲晶体谱仪除有高的收集光子效率外，还有更好的谱分辨和空间分辨率。分析了椭圆弯曲晶体谱仪在前沿科学技术和高技术实验中的应用。