介绍了过氧化氢催化分解气体加酒精补燃以提高气体发生器排气温度的理论计算和分析方法,并建立了一套实验研究装置. 装置中质量分数为90%的过氧化氢溶液由高压气挤推,通过催化床完成催化分解,产生高温气体;质量分数为97%的酒精溶液经由分布喷嘴喷入过氧化氢分解气体中发生自燃,从而提高气体温度.实验研究了采用不同酒精喷入形式和参数对气体发生器排气温度均匀性的影响.结果表明:利用沿气体发生器燃烧室周向分布的多喷嘴进行酒精喷注,并与高浓度过氧化氢催化分解气体进行混合燃烧的方法,能够有效提高气体发生器的排气温度,并得到均匀的排气温度场.

利用傅里叶模式理论分析了具有高衍射效率的全内反射式衍射光栅在TE 和TM偏振态下的近场光分布特点,讨论了光栅结构参数以及入射角度对光栅内电场增强的影响.结果表明:全内反射光栅内部电场分布对偏振态较敏感,光栅槽深和占宽比对电场增强影响较小,光栅内的峰值电场随光栅周期增大而增大,并且峰值电场随着入射角度的增大而减小.在应用于高功率激光时,降低光栅内部的电场增强可以有效降低损伤风险.

利用简单的外腔,实现了具有宽发光区的商用半导体二极管激光列阵(DLA)的外腔锁相.光谱测量表明,DLA的谱宽由自由运行时的1.9 nm压缩到了0.16 nm,峰值波长由803.8 nm调整到805.5 nm;实测远场光瓣间角距等于1.6 mrad,即波长与发光单元间距之比,表明列阵运行在基超模(或最高阶超模);峰谷结构调制度大于0.8.观察表明,外腔长度在1/10～1/6泰伯距离内变化时,锁相均能实现.实验事实表明锁相是交叉注入锁定的结果.利用半导体激光注入锁定理论,定性分析了外腔DLA由自由振荡向锁相过渡的过程,预言了锁相场波长应出现在自由运行DLA光谱长波端,实验也证实了这一事实.

利用交替方向隐式有限差分法分析了高能激光器虚共焦非稳腔反射镜的温度场及热变形的数值计算方法.以单晶硅为例,计算了反射镜由于吸收激光能量而形成的温度场分布以及由此引起的热变形对谐振腔几何结构参数的影响,并在此基础上数值模拟了热畸变情况下正支虚共焦非稳腔的远场光强分布.计算结果表明:在激光束辐照的开始阶段,温升场主要集中在激光束辐照的中心区域内,在整个镜面上远未拉平,由此引起的厚度方向温升分布也是如此,很不均匀.

介绍了高速阴影技术在激光推进流场演化诊断过程中的应用.采用了阴影技术和高速摄影相结合的方法,对激光推进流场演化过程进行了考察.由高速相机提供时序零时,控制激光器和闪光源的延迟时间,再对高速相机进行同步曝光,解决了高速阴影测量过程中高速相机、闪光仪和激光器的时序控制问题,实验获得了清晰的流场演化图像,为进一步研究提供了实验依据和便利条件.

简要介绍了传统自适应光学系统的局限性和多层共轭自适应光学基本原理.模拟了单双层共轭校正系统的共轭高度,并结合平程与垂程(HV模型)两种传输状态对系统等晕角增益作了进一步的分析.对单层共轭系统,在20 km的传输距离内,在平程中整个区域都属于等晕角放大区,共轭高度的最佳位置在传输距离的中间(约10 km处),等晕角取极大值,增益效果较好;但垂程中增益效果变差,且等晕角放大区也仅在3.6 km之内.对双层共轭系统来说,第1层共轭高度的变形镜主要对近距离畸变波前进行校正,并对整个传输距离的等晕角影响很大,是双层共轭系统的关键因素;第2层共轭高度对远距离等晕角影响较大.

利用高温热解SiH4的方法获得气相Si原子,然后通过气相Si原子与N2O反应成功得到了亚稳态储能粒子SiO(b3П).通过不断地改进装置和实验探索,掌握了该合成反应的实验规律,并对实验条件进行了优化.N2O与SiH4的流量配比在8～10,SiH4稀释比在0.3%左右,热解温度在1 160～1 170 ℃时,得到了最强的光谱信号.

为研究多喷管超声速引射器在有二次流情况下的性能,采用模拟器产生给定总温和总压的模拟二次流,在多喷管超声速引射器实验台上进行了一系列实验.重点考察了多喷管引射器的性能以及一次流总压和喷管安装构型对其性能的影响.实验结果表明:多喷管超声速引射器可保证二次流在设计工况下正常工作;二次流的加入大大减小了一次流的总压损失;较低的一次流总压具有更好的压力匹配性能,但引射增压能力也有所降低;合理的喷管安装构型可同时提高引射增压能力和压力匹配能力.提出了将二次流作为"助推器",以帮助多喷管引射器在较低工况下实现启动的方案,在不增加系统复杂度的前提下提高了引射器的压力匹配能力.

掺镱(Yb3+)光纤被动锁模激光器谐振腔采用线性腔结构,腔内插入二分之一波片和偏振分束器引入偏振旋转,结合半导体可饱和吸收镜的自起动,实现稳定的被动锁模运转.腔内插入光栅对,提供负的群速度色散,以补偿光纤所带来的正色散,达到压缩脉宽的目的.当泵浦功率为300 mW、光栅对的距离为10 cm时,获得稳定的锁模运转,锁模输出功率28 mW,脉冲重复频率20 MHz,输出光谱宽度达15 nm,按脉冲变换极限公式,其脉冲时间宽度与频带宽度的乘积为0.315计算,脉宽可达100 fs以下.

采用离散纵标法耦合大气分子吸收,模拟计算了卷云大气的反射特性.研究了在短波波段卷云辐射性质随波长、卷云光学厚度、卷云有效尺度、云高和卷云中冰晶粒子形状等的变化关系,分析了卷云对大气红外背景辐射的影响.结果表明:在2.7 μm的水汽强吸收带上,卷云的出现明显增强了该波段的大气背景辐射,反射率随光学厚度和云高增大而增大.

采用数值求解被动调Q速率方程,并讨论了基于热键合技术被动调Q激光器的优化方法.通过数值仿真讨论分析了谐振腔的损耗、饱和吸收体的初始透过率、输出镜的反射率和泵浦功率等参数对激光输出的影响.结果表明:输出镜存在最佳透过率,使得输出功率最高和脉冲能量最大;减小饱和吸收体的初始透过率能有效提高脉冲能量,并压缩脉宽,但是会增加阈值泵浦功率;泵浦功率与脉冲重复率和输出功率近似成线性增加,增大泵浦功率可以压缩脉宽.并通过实验验证了理论分析的正确性.

采用Gaussian程序软件包,在RHF/Lanl2dz计算水平上,计算了由4类无机固体反应物(包括碱金属的过氧化物或超氧化物、碱土金属的过氧化物或超氧化物)与3类气体反应物(包括卤素气体、卤化氢气体和卤化氘气体)所组合的12种可产生单重态氧(O2(1Δg))的气固化学反应体系的热力学参数(如反应焓变、Gibbs反应自由能变化值以及化学反应平衡常数).计算结果结合O2(1Δg)在氧碘化学激光器(COIL)中的实际应用,分析比较了不同固体反应物和不同气体反应物对气固化学反应体系产生O2(1Δg)的影响.分析结果表明:大部分的上述气固化学反应体系的Gibbs反应自由能变化值为负值,反应可自发进行;但在所有的气固化学反应体系组合中,由碱金属超氧化物与F2或Cl2组成的气固化学反应体系的反应生成热是比较少的,这有利于气固化学反应体系产生的O2(1Δg)用于COIL中.分析同时表明由碱金属超氧化物(如LiO2,NaO2或KO2)与卤素气体(如F2或Cl2)所组成的气固化学反应体系能更高效地产生O2(1Δg),较适合用于COIL中.

分析了用光栅型波前曲率传感器测量热透镜焦距的基本原理,针对高功率固体激光器的工作特点,结合实验现象推导了在热透镜效应较强时热透镜焦距变化的计算公式.对半导体二极管(LD)侧面泵浦的百W级Nd:YAG激光棒在泵浦电流为15～25 A时的热透镜焦距值进行了测量,讨论了可能存在的误差.实验现象和理论分析一致,测量的热透镜焦距值与理论值符合得较好.

介绍了一种实现光纤激光器高功率输出的新方法--采用螺旋芯光纤,这种光纤是在光纤制作过程中按照一定的弯曲半径使纤芯呈螺旋状排布在光纤包层中.介绍了这种螺旋芯光纤的原理和其提高输出功率的能力,以及目前的理论与实验研究现状.基于该光纤,提出了一种光纤激光器相干合成新思想.

宽频带激光驱动器中光束的传输与常规的窄带系统有很大区别.数值分析了宽带激光的成像这一非线性传输现象,并与窄带激光的成像特性进行了比较,发现宽带激光的热像位置和窄带激光基本相同,但宽带激光的热像强度比窄带激光低很多,说明宽带激光能很好地抑制非线性成像的形成.此外,通过改变脉冲啁啾和脉冲宽度两种方式分别揭示了带宽对非线性成像和光束匀滑的影响,发现不同带宽情形下热像的位置基本相同,均处于共轭位置处;热像的光强和热像处光束的调制对比度随着啁啾值的增大而降低,随脉冲宽度的增大而增大.由于受到群速度色散效应的作用,带宽能够阻碍热像的形成,并提高光束的匀滑度.

分析了硫酸、硝酸、氢氟酸;硫酸、乙酸、氢氟酸;乙醇、正丁醇、氯化锌、氯化铝;高氯酸、乙酸;硫酸、甲醇这5种不同电解液组成对钛薄膜表面粗糙度、表面形貌的影响,得出硫酸、甲醇混合溶液是一种较理想的电解液体系.设置合适的抛光电压、温度、时间、泵速等工艺参数,制备出了表面平整光滑,平均粗糙度小于30 nm的钛膜.分析了硫酸、甲醇电解液阳极电压与试样表面减薄速率的关系:试样的减薄速率开始随电压的升高而增大;当电压达到28～34 V时,减薄速率随电压变化很慢,当电压继续增大时,减薄速率又会迅速增大,金属膜继续溶解.

铝Ka吸收谱是诊断辐射加热等离子体温度的重要方法之一.在星光Ⅱ激光装置上,利用激光金膜相互作用产生的X光辐射加热其背侧的铝夹层样品,采用天津Ⅲ号胶片记录的PET晶体谱仪测量了不同激光和样品参数条件下的铝Ka吸收谱.实验观察到非常清晰的类氦到类氟铝离子Ka吸收谱线,采用细致组态模型开展了铝Ka吸收谱的模拟计算,模拟计算结果与实验结果符合得较好,研究结果可应用于辐射不透明度样品温度诊断.

分别使用2维和3维分形方法对单点金刚石车削加工的KDP晶体表面形貌进行了分析,并对表面的3维分形维数和3维粗糙度表征参数进行了比较,分析了二者对表面形貌表征的差异.使用2维轮廓分形方法计算了KDP晶体表面圆周各方向上的分形维数.通过分析得出:3维分形维数与表面粗糙度值成反比关系;使用单点金刚石车削方法加工KDP晶体会形成各向异性特征明显的已加工表面,在一定程度上容易形成小尺度波纹;已加工表面是否具有明显的小尺度波纹特征与表面粗糙度值并无直接关系,但与其表面轮廓分形状态分布密切相关;KDP晶体表面2维功率谱密度与其分形状态具有相近的方向性特征.

以随机统计和数值模拟为研究手段,对高功率超短脉冲激光的远场描述方法进行了分析研究.结果表明:对理想超高斯光束,半高全宽内包含的能量百分数最大不超过70%,且随着阶数增大而逐渐降低.在光束质量较好时,远场焦斑的半高全宽基本保持不变.由焦斑的半高全宽计算得到的聚焦功率密度,与半高全宽之间没有明确的关系,但与Strehl比以及半高全宽内包含的能量之间具有明确的线性增长关系.对追求高的功率密度的激光脉冲,单纯用半高全宽或者几倍的衍射极限来描述远场是远远不够的,用Strehl比或者半高全宽内包含的能量百分数来表征功率密度更为恰当.

分别以丙醇锆和正硅酸乙酯为原料,采用溶胶-凝胶工艺制备了性能稳定的ZrO2和SiO2溶胶.用旋转镀膜法在K9玻璃上分别制备了单层SiO2薄膜、单层ZrO2薄膜、ZrO2/SiO2双层膜和SiO2/ZrO2双层膜.采用原子力显微镜观察了薄膜的表面形貌,用椭偏仪测量薄膜的厚度与折射率,用紫外-可见光分光光度计测量了薄膜的透射率.对薄膜的透射光谱和椭偏仪模拟的数据进行分析,发现SiO2/ZrO2双层膜之间的渗透十分明显,而ZrO2/SiO2双层膜之间几乎不发生渗透.利用TFCalc模系设计软件,采用三层膜模型对薄膜的透射率进行模拟,得出的透射曲线与用紫外-可见光分光光度计测量的透射曲线十分符合.

微波等离子体相对其它等离子体而言有很多的优点,具有极高的工业应用价值.但在大气条件下,大体积的微波等离子体较难获得.为达到产生该种微波等离子体并将之应用的目的,特设计了一台环形波导反应腔设备并从事了等离子体激发的相关研究.介绍了该设备的设计思路,给出了常用的非磁化微波等离子体工作气体的击穿曲线,通过软件仿真得到了反应腔内的电场分布,并陈述了微波等离子体反应的基本现象.结合试验的结果,证明了软件仿真的正确性和装置的有效性.目前,该装置可在大气压下顺利激发一定体积的氦、氩等离子体.

在189,255,277和321 ℃的沉积温度下用热舟蒸发方法制备了LaF3薄膜.通过X射线衍射(XRD)测试了薄膜的晶体结构;采用分光光度计测量了薄膜的透射光谱,并计算得到样品的折射率、消光系数和截止波长;利用光学干涉仪测试得到了薄膜的残余应力;采用三倍频Nd:YAG脉冲激光测试了薄膜的激光损伤阈值.结果表明:随沉积温度的提高,LaF3薄膜的结晶状况明显变好,晶粒尺寸逐渐变大;膜层变得更加致密,折射率变大,然而薄膜吸收变得严重,截止波段向长波漂移,同时薄膜的残余应力也增加,内应力在薄膜的残余应力中起着决定作用;薄膜的激光损伤阈值在高温制备时相对较高.

利用宽带电场仪和光学纹波探头,对2006年夏季广东省从化地区发生的自然闪电的光电信号进行了同步观测,并对结果进行了统计分析.统计结果表明:闪电光信号脉冲的发生时间和峰值到达时间总是滞后于电信号,并且脉冲上升沿和宽度也比电信号宽;云闪的光信号在上述特征参数的滞后量、上升沿时间和脉宽时间差要比地闪回击放电大.从闪电光电信号时域信号特征的角度,利用BP人工神经网络,对闪电类型进行了模式识别研究.总体识别结果基本上能够满足要求,但是由于云闪放电过程比较复杂,获得的数据较少,所以对云闪识别的效果并不理想.

带状注速调管可以在高频段实现高功率微波输出,电子光学系统是带状注速调管的关键部件.阐述了Wiggler双平面聚焦理论,设计了新型椭圆形柱面阴极和椭圆形聚焦极结构,阴极曲率半径为17 mm,长轴10 mm,短轴4 mm;聚焦极长轴28.8 mm,短轴10.4 mm.采用这种结构可以直接产生椭圆形带状电子注,且阴极发射电流密度较为均匀.设计了周期长度为8 mm,总长度为108 mm,中间带有凹槽并可以实现双平面聚焦的Wiggler结构,模拟显示电子注填充因子在75%左右,通过率达到100%.设计了新型的菱形收集极结构,电子轨迹在收集极内发散均匀.

采用解析方法对双导传输线Taylor模型和Agrawal模型进行研究,获得了这两个模型基于平面电磁波激励下的终端负载响应的频域解析解,并证明它们的解析解是相同的,从而得到双导传输线基于平面电磁波激励的终端负载响应的频域解析解公式.Taylor模型和Agrawal模型其实是对同一个解的不同描述,由于Agrawal模型比Taylor模型相对简单,因此在实际应用时可以采用Agrawal模型或频域解析解公式进行求解.应用频域解析解公式和Fourier变换与逆变换技术,可以求得终端电压或电流的瞬时响应解.

运用场匹配法和傅里叶级数理论,提出一种原则上可数值求解任意轴对称渐变型类周期慢波结构色散特性的方法.采用该方法编制了计算渐变型波纹波导和渐变型盘荷波导色散曲线的Matlab程序,详细分析并讨论了这两类典型渐变型类周期慢波结构的色散特性.数值计算结果与多维全电磁模拟软件模拟结果的数据吻合度较高,验证了该数值算法的可靠性.另外,该方法具有较强的普适性和扩展性,也可退化到任意轴对称周期慢波结构色散特性的求解,为慢波结构的设计提供一种简单有效的途径.

描述了一台750 keV,201.25 MHz的射频四极注入器束流动力学设计.在考虑与35 MeV质子直线加速器匹配、功耗小、传输效率高等原则的基础上,提出了加速器的技术要求.给出了两套设计方案的主要参数和设计结果.分析了能散度、发射度、Twiss参数、注入流强和能量等参数在非理想匹配条件下对束流传输效率的影响.比较了两套方案的异同点.模拟计算结果表明,两套设计方案均可以满足物理要求,传输效率都在99.3%以上.

为了将BEPCⅡ直线加速器的正电子注入速率提高到单脉冲运行时的两倍左右, 提出了双脉冲产生和加速的方案.对BEPCⅡ直线加速器双脉冲加速的束流动力学进行了模拟, 首次给出了双脉冲的模拟方法.此外, 还在BEPCⅡ直线加速器上进行了双脉冲加速的初步实验研究, 为以后BEPCⅡ直线加速器的进一步改造提供了参考.

用双离子束溅射沉积氧化铪光学薄膜,并对此工艺下制备的氧化铪薄膜进行了光学性质、残余应力、结构特性以及激光损伤特性的研究.实验结果表明,用双离子束溅射沉积的氧化铪薄膜不仅结构均匀,膜层致密,无定形结构,而且具有极低的散射和吸收,均匀的非晶结构,杂质缺陷少,激光损伤阈值高.

用原子力显微镜和光学显微镜观测酸蚀后熔石英亚表面划痕,并根据形貌特征将其分为Boussinesq-point-forcecrack(BPFC)、Hertzian-conical scratch(HCS)和Plastic indent(PI)三类,测试了各类划痕的损伤阈值,讨论了激光损伤机制.结果表明锐度较大的BPFC损伤阈值不超过2.0J/cm2;深度小于1 μm的 HCS阈值可达2.6 J/cm2;形变较大的PI阈值至2.8 J/cm2,形变较小的PI的激光损伤阈值与无缺陷材料相当.BPFC和深度超过1 μm的HCS是导致熔石英损伤阈值低的主要因素.

采用相对论扭曲波近似方法对高离化态类铜铅离子的自电离速率系数与双电子俘获强度进行了计算.计算结果表明:旁观电子的变化使自电离速率系数呈现出规律性变化.同时用该方计算了Ta元素类铜离子、Au元素类镍离子的自电离速率系数,将结果同相关文献的相对论多参数势方法、准相对论性Hartree-Fock-Relativistic方法以及自旋-轨道劈裂跃迁组模型方法所得结果进行了比较,符合得很好.

针对1 064, 532 和 680 nm波长激光, 以聚碳酸酯 (PC) 为镀膜基底, 钕玻璃激光中心波长为1 064 nm, 采用六分之一加三分之一膜系的反射膜系设计,以氧化锆为高折射率膜层材料,氯化酞菁铝掺杂的氧化硅为低折射率膜层材料,通过溶胶-凝胶法镀21层膜,并在多层反射膜与PC基底之间插入张力匹配层,实现了钕玻璃激光器1 064 nm主频和532 nm二倍频波长激光的反射,以及680 nm波长红宝石激光的同时吸收,1 064,532和680 nm波长处的透射率分别为1.67%,18.24%和2.4%.

针对激光烧蚀半导体材料Ge初期的特点,建立了1维的热传导和流体动力学模型.对波长为248 nm、脉宽为17 ns、峰值功率密度为4×108 W/cm2的KrF脉冲激光在133.32 Pa氦气环境下烧蚀Ge产生等离子体的特性进行了数值模拟.结果表明:单个激光脉冲对靶的烧蚀深度达到55 nm,蒸气膨胀前端由于压缩背景气体产生压缩冲击波, 波前的速度最大,温度很高.从不同时刻的电离率分布图中得出,在靶面附近区域,Ge的1阶电离始终占优势;在中心区域,脉冲作用时间内,Ge的2阶电离率比1阶电离率大,脉冲结束后,Ge的2阶电离率下降,1阶电离率逐渐变大.

介绍了所研制的脉冲功率装置的组成、脉冲形成单元的设计以及脉冲形成单元实验研究结果.研究了包含脉冲形成线的绝缘设计校验、装置的脉冲形成单元的抖动及其与主同步开关击穿延迟时间的抖动和脉冲输出开关的抖动的关系.实验结果表明:在3.6 MV脉冲电压作用下,脉冲形成线的前后尼龙隔板未出现表面闪络等绝缘问题,脉冲形成线的绝缘满足设计要求.主同步开关的抖动1.6 ns,脉冲输出开关的抖动小于3.1 ns,脉冲形成单元的整体抖动小于3.0 ns,满足装置同步性能要求.

从波过程计算的角度,阐述了用传输线对脉冲形成网络进行模拟的原理和方法.该方法可以对元件参数随时间变化的脉冲形成网络,以及包含磁绝缘传输线、开关、内爆等离子体等的脉冲功率系统进行全电路模拟.与商业程序Pspice模拟结果比较表明:两种方法得到的电流、电压的峰值相对偏差不到5‰,在整个时间范围内,电流、电压的最大偏差均小于峰值的5%;两种方法得到波形几乎完全重合.在能保证准确度和收敛性的同时,该方法还具有直观、运算快速、易扩展等特点.

从脉冲电源参数计算、电源整体设计、脉冲形成网络(PFN)设计和优化等方面介绍了中国散裂中子源快循环同步加速器引出Kicker磁铁脉冲电源的初步设计情况,提出一种新型的低阻抗PFN设计方法,给出了脉冲电源和PFN的参数,利用PSPICE程序仿真了充电电压为36.5 kV时磁铁的励磁脉冲电流波形,励磁电流脉冲幅值达到5.8 kA.仿真结果表明:PFN的单元电容电感相同时,采用较多的PFN节数,励磁电流脉冲宽度会变宽,电流脉冲前沿和平顶度没有显著变化;采用合适长度的电缆,可以有效避免反射电流对主脉冲电流波形产生影响.

在L波段使用1.3 GHz载波频率的微波脉冲辐照微型计算机主板,通过改变脉冲宽度、重复频率和脉冲串长度等参数,实验研究了微波脉冲辐照导致微型计算机失去响应的功率阈值的变化规律,讨论了L波段微波脉冲辐射的积累效应.实验结果表明:当微波脉冲宽度增加时,微波功率阈值下降;当微波脉冲重复频率升高时,微波功率阈值呈下降趋势;在固定重复频率的条件下,微波脉冲数目的增加也会导致微波功率阈值的下降;微波脉冲功率阈值始终小于连续波微波的功率阈值.当微波脉冲间隔时间较长或者脉冲宽度较宽时,微波功率阈值由单个微波脉冲的参数确定,与脉冲重复频率没有明显关系.利用假设的微波脉冲辐射积累效应,可以定性解释和分析微波脉冲辐照微型计算机实验中功率阈值变化的趋势.