报道了平均功率超过百瓦的单频掺铥全光纤结构主振荡功率放大器。使用线宽小于100 kHz、中心波长为1.97 μm的单频种子源进行级联放大, 主放大器的斜率效率为50%。监测放大器的回光功率和光谱, 没有发现受激布里渊散射以及其他非线性效应。通过增加泵浦功率, 可以获得更高功率的掺铥单频放大输出。

大型激光驱动器装置对光纤前端系统的输出脉冲能力提出了更高的要求, 基于大模场光子晶体光纤的mJ级脉冲放大器技术是首先需要解决的关键技术问题。研究了大模场光子晶体的切割和熔接工艺, 实现了全光纤结构集成。对1~10 kHz重复频率、10 ns脉宽、0.3 nm线宽的方波脉冲进行了放大实验研究, 对比研究了反向和正向泵浦方式对自发辐射放大的抑制效果, 在1 kHz获得0.6 mJ, 单横模脉冲输出, 初步验证了基于此类系统获得大能量、高品质脉冲输出的能力。

基于非线性耦合薛定谔方程, 在非线性偏振技术锁模的掺铒环形光纤激光器中, 理论研究多孤子脉冲的形成和演化规律。研究结果表明: 随着小信号增益不断增加, 光纤激光器的锁模透过率函数影响多脉冲输出, 多脉冲产生受色散波和脉冲分裂形成的峰值功率的限制效应和孤子能量量子化的影响, 这是增益竞争和非线性偏振旋转引起的损耗之间动态平衡的最终结果。

基于广义惠更斯菲涅耳原理分析了高斯谢尔光束通过湍流大气漫射目标的散射统计特性。假定相位结构函数起主导作用, 根据高斯谢尔光束的交叉密度函数, 推导了散斑场的互相干函数表达式, 进而得出接收面处的散斑尺寸大小和强湍流起伏的时延协方差函数表达式。数值分析了源相干长度、波长、湍流强度对互相干函数的影响。对理想漫射目标, 接收面的散斑尺寸大小由束腰宽度、源相干长度和湍流强度确定, 随着湍流强度的增加, 散斑尺寸变小; 在弱湍流区, 散斑尺寸由源相干长度决定, 当湍流增强时, 散斑尺寸大小逐渐趋于一致。

以速率方程为基础建立理论模型, 采用迭代计算方法, 对单程端面泵浦铷蒸气激光器的阈值特性进行了详细研究。研究表明, 铷室温度和长度对阈值泵浦功率密度的影响具有等价性, 存在使阈值功率密度达到最小的最佳铷室长度与温度组合。泵浦光线宽对阈值功率密度的影响基本呈线性; 泵浦光线宽越宽, 泵浦光中心波长与铷原子吸收波长的偏移量对阈值功率密度的影响越小; 存在最佳的铷原子吸收线宽, 使阈值功率密度达到最小; 为减小阈值功率密度, 铷室窗口片应尽量考虑镀膜, 谐振腔输出耦合率不宜大于80%。

对高功率半导体泵浦固体激光器(DPL)系统的可靠性进行了分析, 根据GO法的原理构建了DPL系统的GO图; 利用GO法计算公式, 得到了系统故障率和平均无故障工作时间等重要可靠性指标。结果符合实验室经验值。最后分析了各部件的故障率的重要度, 讨论了改善高功率DPL系统可靠性的措施, 对系统的使用和维修等工作具有参考意义。

为研究线偏振和圆偏振对飞秒激光烧蚀加工石英玻璃表面质量的影响, 开展不同扫描速度的线烧蚀试验和不同线重叠率的面烧蚀试验。研究了线、圆偏振光对烧蚀线宽度的影响, 利用光学显微镜和环境扫描电子显微镜观察烧蚀形貌, 并使用三维表面轮廓仪进行烧蚀面粗糙度分析。结果表明: 线偏振光烧蚀线宽度大于圆偏振光, 且激光功率越大, 线宽差异越明显; 当线重叠率在65%～90%时, 线偏振光烧蚀表面粗糙度随重叠率增大而增大, 在重叠率为65%时达到1.33 μm; 线轮廓算术平均偏差随重叠率增大先减小后增大, 并在重叠率为80%时达到较小值1.05 μm; 当重叠率不到80%时, 线偏振光烧蚀面线轮廓算术平均偏差比圆偏振光小; 重叠率为90%时, 其线轮廓算术平均偏差反而比圆偏振光大。

结合数字信号处理中的半解析递归卷积(SARC)算法, 提出一种用于金属光学特性分析的改进半解析递归时域有限差分方法(SARC FDTD)。该方法保持了SARC算法的绝对稳定性和高精度、低内存等优点, 又利用梯形近似使FDTD递推公式更加简洁, 计算效率进一步提高, 对于各种常用金属色散模型, 均只需给出模型的极点和对应的系数, 即可运用该算法的程序进行计算, 具有较好的通用性。最后, 通过金属的高阶Lorentz, Drude-Lorentz和Drude-CP三种常用色散模型对算法进行了验证。

激光能量注入可以控制Ⅳ型激波干扰, 有效地减小钝头体压力载荷。基于有限体积法和分区结构网格划分的高分辨率数值方法, 在来流马赫数为3.45的条件下, 计算了单脉冲激光能量注入和连续激光能量注入对Ⅳ型激波干扰的影响。研究结果表明: 单脉冲激光能量注入后一个较短时期内(50～60 μs), 钝头体表面压力突然升高, 随后压力有一个较为明显的下降过程, 然后恢复原状态; 当注入的连续激光能量较小时, 钝头体表面压力略微增大, 随着注入能量增大, 钝头体表面压力峰值减小; 在注入能量到一定程度时, 钝头体表面压力峰值减小已不明显。

根据Zernike模式在单位圆的同心孔径圆域内某些模式间具有一定耦合性的结论及对应Zernike模式像差在一定同心光瞳区域内的相互抵消特性, 对具有相同角频率不同阶数的Zernike模式建立组合模型, 同时根据同心光瞳区域内像差均方根值的降幅比参数给出了同心光瞳直径为4 mm时的Zernike模式线性共轭组合模型。最后通过共轭组合模型对光学质量影响的研究发现, 共轭模型组合之后能显著提高光学质量。同时也表明Zernike模式组合对光学质量的影响不具备叠加性, 而对共轭组合模型表现为补偿关系。

利用光纤湍流测量系统获得了合肥西郊科学岛上气象观测场内下垫面平坦的水面上方0.48 m、草地上方1.8 m和23 m高处的大气折射率起伏的观测数据, 采用R/S分析法计算了近地层大气光学湍流的赫斯特指数和分形维数, 统计分析了分形维数的日变化特征及概率分布特征。结果表明: 对于一天的不同时段, 分形维数在一定范围内动态变化, 且中午时段相对稳定; 在三种下垫面条件下, 全天分形维数的值大多在1.3~1.4之间, 其最可几概率位于1.35处, 从均值来看, 草地上方1.8 m的分形维数最大, 水面上方0.48 m次之, 草地上方23 m处最小。最后, 初步探讨了近地层大气光学湍流分形维数、间歇性指数和湍流发展程度的相关性。

X光针孔成像是惯性约束聚变(ICF)研究中重要的诊断方法, 对其点扩散函数的计算可用于图像重建和系统空间分辨的判断。对菲涅耳衍射公式进行了化简, 分析了X光能点、针孔尺寸及放大倍率对针孔点扩散函数的影响。实验在保证成像能获得足够高信噪比的条件下, 通过模拟获得在最佳空间分辨时所要的针孔大小、放大倍率和X光能点等参数。在流体力学不稳定性的静态样品定标实验中, 通过模拟获得了针孔的调制传递函数(MTF), 结合实验测量的结果反推获得分幅相机本身的MTF值。同时采用测刀边函数的方法获得了分幅相机本身的刀边函数, 进而得到相机在各空间频率下的MTF值。两种方法得到的分幅相机MTF值一致, 验证了通过菲涅耳衍射模拟Ｘ光针孔成像的可行性。

通过对条纹相机光阴极在光电转换过程中光电子产生过程的分析, 推导了光阴极在软X射线波段的能谱响应灵敏度计算公式, 并运用该公式探讨了阴极厚度、掠入射角度等参数对能谱响应灵敏度的影响, 计算并分析了Au, CsI在0.1~10 keV范围内的能谱响应曲线和特性, 并利用标定试验数据对共识和模型的可靠性进行了验证。结果表明, CsI阴极的最佳厚度在60 nm左右, Au阴极的最佳厚度在10 nm左右; CsI阴极的能谱响应灵敏度比Au阴极高1~2量级。

菲涅耳波带板直接成像, 应用到激光等离子体或惯性约束聚变靶的X射线成像诊断, 可实现μm甚至亚μm的空间分辨能力。在对成像进行数值模拟时, 考虑到光源的光谱带宽和几何尺度对成像的影响, 要进行菲涅耳-基尔霍夫衍射积分与卷积等数值计算, 需占用大量计算机内存并且耗费运行机时。改进了数值计算方法, 采用了蒙特卡罗积分法和新的卷积算法。模拟了菲涅耳波带板对大尺度多色X射线源的二维成像, 新算法与以往算法相比, 可显著减少运算机时, 在台式机上实现模拟成像的快速计算。结果表明随着光源尺度增大、光谱带宽增加, 像的背景增强, 导致反衬度与成像质量下降。

在惯性约束聚变(ICF)实验中, 点火靶丸表面(界面)的粗糙度和缺陷所产生的流体力学不稳定性是决定点火成功与否的关键因素之一, 设计和研制流体力学不稳定性分解实验用靶是解决该问题的主要技术手段。结合国内外的研究现状和神光-Ⅱ激光装置的特点, 设计并研制了一种新型柱状激波管。该靶型由三种介质组成, 分别为调制聚苯乙烯(CH)圆片、柱状碳气凝胶(CRF)和CH微套管。调制CH圆片和柱状CRF通过微加工技术装配到CH微套管内, 封装后形成柱状激波管。介绍了该靶型的设计原理和详细的制备工艺, 并对相应的靶参数进行了测量。结果表明: 柱状CRF气凝胶具有较好的成型性, 长度、直径和密度分别为1000 μm、730 μm和250 mg·cm-3; CH圆片的厚度和直径分别为15 μm和730 μm, 表面调制图形的周期和峰谷差分别为100 μm和4.3 μm; 实验得到的柱状激波管的轴向和径向最大装配误差分别为2 μm和3 μm。

采用化学气相沉积法制备了阵列碳纳米管薄膜, 对阵列碳纳米管的石墨化程度进行了系统研究。利用扫描电子显微镜(SEM)、拉曼光谱(Raman)对样品形貌以及结构进行了表征。探讨了不同实验参数对阵列碳纳米管石墨化程度影响的机理。结果发现, 在一定催化剂浓度范围内, 催化剂浓度过低时, 阵列碳纳米管的石墨化程度较差, 而随着催化剂浓度的增加, 阵列碳纳米管的石墨化程度逐渐变好; 生长石墨化程度较好的阵列碳纳米管需要合适的进液速度, 进液速度过低或过高都会使得碳纳米管的石墨化程度变差; 此外, 生长石墨化程度较好的阵列碳纳米管也需要合适的生长温度, 生长温度过低或过高都会使得碳纳米管的石墨化程度变差。

利用三维视角因子软件IRAD3D研究了神光-Ⅲ主机靶丸表面辐射驱动时变对称性和驱动强度随黑腔腔形和排布方式的变化。模拟结果表明: 采用椭球形黑腔能显著减小黑腔壁面积从而减小腔壁能量消耗并提高靶丸消耗份额; 不同腔形和排布方式下均可通过调节腔长使勒让德不对称性模P2时间积分量较小; 采用双环辐照和椭球腔形都利于缩短腔长; 四环排布利于调节P4分量, 但环向不对称性M4较差; 椭球腔双环排布能兼顾极向不对称性P2, P4和环向不对称性M4, 且靶丸表面X光驱动强度相对柱腔双环提高25%~27%。

为充气靶丸的精密装配提供有效的胶斑定位检测方法, 研究了具有荧光特性的环氧胶黏剂, 通过环氧胶黏剂与香豆素和JS-064荧光染料的相容性及荧光性的研究, 探索其适用于靶丸装配和检测的添加工艺。分别测定了入射波长和适用于工艺的激发波长, 研究了荧光强度与香豆素浓度的关系以及固化剂对荧光强度的影响。并确定了无水乙醇减小表面张力的工艺方法。结果表明: 香豆素的激发波长为274 nm, 入射波长为519 nm; 荧光染料的激发波长为435 nm, 适用于胶斑定位检测的激发波长为365 nm; 香豆素能很好地溶于固化剂176中, 有淡蓝色荧光, 而荧光染料均匀分散于胶黏体系, 且荧光性能良好。

开展特定直径超细Ni80Cr20合金丝的冷拉拔制备研究, 并通过扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)和金属丝强力仪等对超细合金丝进行了表征。研究结果表明: 烧头过程最佳电解液浓度为0.05 mol/L, 时间为3 s; 制备的镍铬合金丝直径为24.54 μm, 表面光滑, 尺寸精准; 拉拔后晶粒尺寸减小, 退火后晶粒尺寸长大; 拉拔态镍铬丝由于加工硬化, 其伸长率由16%降低至1.88%; 退火可改善镍铬丝性能, 其断裂强度降低, 伸长率增大, 合金塑性增强, 氮气退火丝的断裂强度大于真空退火丝的断裂强度, 伸长率则相反。

介绍了激光状态方程靶中金属薄膜台阶的切割方法。采用皮秒激光加工技术切割了宽度百μm量级的金属薄膜台阶, 研究了金属薄膜台阶宽度控制的方法, 讨论了切割过程中产生热效应的因素, 优化了激光加工参数。实验加工中, 采用加工的参数: 功率为0.5 W, 脉宽10 ps, 波长355 nm, 扫描速率为100 mm/s, 获得了宽度400 μm和120 μm的金属薄膜。测量结果表明, 金属薄膜的宽度能精确控制, 切割后金属薄膜表面质量能保持切割前的质量。

为了实现光学元件精密检测平台定位误差的自适应补偿, 以保证在不同的检测环境中平台能够自行保持高精度, 提出了基于检测环境监测和支持向量回归机的定位误差自适应补偿方法。首先, 以多组检测环境中温度、湿度和气压的具体测量值作为训练数据, 利用支持向量回归机建立定位误差最大值的预测模型, 进行最大值预测。然后, 将最大值同温度、湿度、气压等环境因素和位置信息一起作为训练数据, 迭代使用支持向量回归机, 建立任意位置定位误差预测模型。最后, 将预测到的定位误差值传入检测平台控制器中进行补偿。应用雷尼绍激光干涉仪, 温度、湿度和气压传感器等仪器设备, 在光学元件精密检测平台上进行了具体实验。实验结果表明该技术切实可行, 预测数据与实测数据差值绝对值的平均值为0.88 μm, Pearson相关系数的平方为0.99, 自适应补偿后平均定位误差由43 μm降为1.4 μm。

基于1064 nm Nd: YAG激光器, 对比研究了紫铜和黄铜等离子的特征参数。洛仑兹函数拟合Cu I 324.75 nm得到紫铜和黄铜等离子体的电子密度分别是3.6×1017 cm-3和3.3×1017 cm-3。为了减小谱线自发辐射跃迁几率不确定性和测量误差带来的计算误差, 采用改进型迭代玻耳兹曼算法精确求解紫铜等离子体和黄铜等离子体的电子温度分别是6316 K和6051 K, 分析表明, 两种等离子体特征参数的差异主要是由于黄铜中的锌元素的电离能(9.39 eV)大于铜元素的电离能(7.72 eV)而造成的。实验数据证实激光诱导的紫铜和黄铜等离子体满足局部热力学平衡模型和光学薄模型。

为了改善臭氧处理PS单层球与PVA溶液生成的双重乳粒在油相中的分散性, 采用了低分子量阴离子型表面活性剂十二烷基硫酸钠(SDS)和十二烷基苯磺酸钠(SDBS)及高分子量混合型表面活性剂十八烷基胺聚氧乙烯醚双季铵盐(PAVDA)来改性该种PS单层球, 测试并分析了不同表面活性剂对相应薄膜亲水接触角及其对PVA吸附速率的影响, 同时也考察并对比了静电排斥作用和空间位阻作用对双重乳粒分散性的影响。实验结果表明这三种表面活性剂均能不同程度的改善双重乳粒在油相中的分散性。其中, 经SDS和SDBS处理后, 双重乳粒在油相中固化时会发生絮凝作用而无法以较高成活率制得大尺寸双层球; 经PAVDA处理PS单层球后, 实现了以较高的成活率制得700~900 μm的PS-PVA双层空心微球。同时, 也表明在改善PS单层球的分散性方面, 空间位阻稳定作用较静电排斥作用更为有效。

采用γ射线辐射还原法, 在不同总吸收剂量条件下制备了金属Cu掺杂三聚氰胺-甲醛(MF)有机气凝胶复合材料。利用X-射线衍射仪(XRD)、电感耦合等离子体吸收光谱(ICP-AES)仪和扫描电子显微镜, 测试证实了辐射还原法能成功地在MF气凝胶中还原出金属Cu。扫描电子显微镜(SEM)图谱表明在100 kGy和200 kGy的总吸收剂量下, 在MF气凝胶中还原的金属Cu粒子的粒径较小, 不会形成金属团聚区, 而在较高的总吸收剂量下(大于200 kGy), 在MF气凝胶中还原的Cu会形成金属团聚区。N2吸附测试表明, 还原的金属Cu会堵塞MF气凝胶的一部分微孔和一部分介孔, 从而使样品的比表面积和吸附量降低。随着总吸收剂量不断增加, 经辐照后样品中金属Cu的含量也不断增加, 同时还会影响还原出金属Cu的分布和形貌。

利用群理论详细分析了磷酸二氢钾(KDP)晶体的拉曼振动模式, 得出了其拉曼振动模的归类。并采用拉曼光谱仪测量了Z切退火KDP晶体X(ZZ), Z(XY)和Y(XY)X三种散射配置和未退火KDP晶体Z(XY)配置下的拉曼光谱。根据拉曼选择定则得出X(ZZ), Z(XY)和Y(XY)X散射配置下的拉曼峰分别对应A1, B2(LO), B2(TO)对称类振动模, 但在Z(XY)配置下的拉曼光谱中除了B2模, 还观察到了A1模, 而在Y(XY)X配置下的拉曼光谱中只有B2模, 且退火和未退火晶体Z(XY)配置下的拉曼光谱无明显差别, 此结果表明KDP晶体的对称性降低, 在背向散射时A1模也具有角度特性, 但与晶体的内应力无关, 这是由KDP晶体内部结构决定的。

基于贝叶斯理论, 针对小批量、少样本的金柱腔生产过程, 讨论了生产质量控制模型的建立方法。利用大量历史数据和少量样本信息, 建立了金柱腔车削工序的质量控制模型, 并利用实际生产数据对该模型进行了验证。验证结果显示, 当前金柱腔车削工序的生产过程处于统计控制状态, 质量控制模型没有发出生产质量的虚警报, 建立的质量控制模型是有效的, 能够指导金柱腔车削工序的实际生产。

采用CO2活化工艺对氮掺杂碳气凝胶(N-CA)的结构进行重整, 并系统研究了活化温度对活化氮掺杂碳气凝胶(N-ACA)孔结构及电化学性能的影响。利用N2吸附数据、X-光电子能谱(XPS)和元素分析对样品的结构及元素组成进行表征。结果表明, 随活化温度的升高, N-ACA的比表面积逐渐增大, 其含有的氮原子分数逐渐减少, 吡咯氮含量明显增加。利用循环伏安(CV)、电化学阻抗谱(EIS)等测试技术评价了碳气凝胶样品在6 mol·L-1 KOH电解液中的电化学性能, 结果发现, 合理的孔结构与较高的吡咯氮含量是影响电容器比容量的关键因素。在5 mV·s-1扫描速率下测试950-N-ACA电极的比电容值高达267.4 F·g-1, 经1000次充放电后比电容损失值在1.5％以内。

为建立高效简洁的厚壁空心微球球形度和壁厚均匀性的表征和测量方法, 以内径850 μm、壁厚25 μm的厚壁聚苯乙烯(PS)微球为测量对象, 分析球形度和壁厚均匀性的表征方法, 探讨测量过程中采样方式对表征微球球形度和壁厚均匀性的影响。研究表明: 对于批量微球球形度和壁厚均匀性的表征, 当抽样数目不小于30时, 测量结果之间的差异很小; 而对于单一微球的球形度和壁厚均匀性的表征, 至少3个不同投影面的测量结果的平均值才趋于稳定。不同投影面导致球形度或壁厚均匀性较差的批次样品的测量结果有一定差异, 多次投影测量可提高测量结果的可靠性。

根据美国NIF点火基准靶REV4.0要求, 对半腔套装工艺进行了具体的参数分析, 确定了半黑腔与冷冻罩的铝套筒过盈配合公差带等关键参数, 制定了装配系统技术指标, 设计了系统方案, 研制了实验样机。该样机具有12个电控台, 重复定位精度达到0.3 μm和0.01°, 并配备激光测头和6轴微力传感器, 对靶件姿态与套装过程中的受力情况进行检测, 可完成半黑腔套入与入射孔衬垫装配两道工序。利用该样机对模拟靶件进行了装配实验, 半黑腔与铝套筒同轴度为8 μm, 轴向与径向夹角优于0.5°, 验证了装配工艺与系统功能的有效性。

采用离子束溅射(IBS)的方式, 制备了1064 nm高反射Ta2O5/SiO2渐变折射率光学薄膜。对其光学性能和在基频多脉冲下抗损伤性能进行了分析。 通过渐变折射率的设计方式, 很好地抑制了边带波纹, 增加了1064 nm反射率。通过对损伤阈值的分析发现, 随着脉冲个数的增加, 损伤阈值下降明显; 但是在20个脉冲数后, 损伤阈值(维持在22 J/cm2左右)几乎保持不变直到100个脉冲数。通过Leica显微镜对损伤形貌的观察, 发现损伤诱因是薄膜表面的节瘤缺陷。通过扫描电镜(SEM)以及聚集离子束(FIB)对薄膜表面以及断面的观察, 证实了薄膜的损伤起源于薄膜表面的节瘤缺陷。进一步研究得出, 渐变折射率薄膜在基频光单脉冲下损伤主要是由初始节瘤缺陷引起的, 在后续多脉冲激光辐照下初始节瘤缺陷引起烧蚀坑的面积扩大扫过薄膜上的其他节瘤缺陷, 引起了其他节瘤缺陷的喷射使损伤加剧, 造成损伤的“累积效应”。

将二氧化硅(SiO2)微球为模板材料分散在聚-4-甲基-1-戊烯(PMP)溶液中, 通过对流自组装方法将其涂覆于基片上, 经过热致相分离(TIPS)过程形成含SiO2微球模板的PMP薄膜, 然后通过氢氟酸(HF)溶液腐蚀除去SiO2微球, 获得了具有规则多孔结构的PMP聚合物薄膜。采用扫描电子显微镜(SEM)对含SiO2微球的PMP薄膜以及除去SiO2微球后的PMP多孔薄膜的微结构进行了表征。研究结果表明: SiO2微球在聚合物中呈有序排列, 腐蚀除去SiO2微球后PMP薄膜有效复制了SiO2微球形成的有序结构, 形成了有序多孔PMP薄膜。

设计了一种采用共面TEM馈电结构的抛物反射面超宽谱脉冲辐射天线, 分析了该种馈电结构的阻抗特性与辐射特性。实验表明当馈入电压为3 kV、前沿180 ps的超宽谱脉冲时, 该天线主轴辐射场测试距离与峰值场强之积平均值达到18.3 kV, 相较于常用的TEM喇叭馈电的超宽带反射面天线, 其辐射效率有了显著的提高。

通过分析广义传输线理论中的模式耦合系数, 优化设计了一支94 GHz光滑缓变结构回旋管, 当电子注电压50 kV, 电流6 A, 横纵速度比1.4, 工作磁场3.548 5 T时, 在频率94.099 GHz处得到了41%互作用效率, 约120 kW的功率输出; 与折变结构回旋管相比, 缓变结构回旋管中的工作模式纯度提高约27 dB, 注波互作用效率提高约7%。基于自洽非线性理论计算的互作用效率与PIC模拟结果有较好的一致性。

基于模式匹配法编制了分析内壁刻槽TE11-HE11圆波导模式变换器数值计算程序; 采用该程序为工作频率为30.5 GHz的高功率速调管设计了一半径为16 mm的TE11-HE11模式变换器。计算表明该变换器在2.6%的带宽内转换效率在98.8%以上, 实验结果表明该变换器性能良好。

通过发射光谱测量和拟合不同的微波脉宽和气压下C波段微波放电的氮气等离子体振动温度、转动温度和电子激发温度。气压在266～400 Pa时, 等离子体的振动温度为(2700±100) K, 电子激发温度为(0.32 ±0.015) eV, 转动温度随脉宽增加而上升, 实验中测得的最大转动温度为370 K。偏离266～400 Pa时, 振动温度和电子激发温度同时出现了下降的趋势, 而转动温度出现了上升的趋势。这意味着电子激发温度和振动温度具有很强的关联性。

介绍了静电聚焦方式在毫米波行波管中的独特优势, 分析了周期静电聚焦场的建立方法。基于某Ka波段行波管, 首先根据指标要求设计了强流电子枪并选择类梳齿状结构作为其慢波电路, 然后对电子枪和类梳齿状慢波电路组成的电子光学系统进行了模拟计算, 最后对慢波电路的关键尺寸进行了容差分析。结果显示, 在周期静电场的作用下, 电子注全部平稳地通过了慢波系统。良好的静态通过率为后续高效率的注-波互作用奠定了基础, 证明了利用静电场聚焦毫米波行波管中大电流密度电子注的可行性。

采用MAGIC 2.5D模拟软件, 建立了X波段11.424 GHz相对论大功率速调管放大器的高频结构模型。该模型由5个简单药盒型谐振腔组成, 包括1个输入腔、3个中间腔和1个输出腔。研究了该模型的高频特性, 初步设计漂移管及各谐振腔结构参数, 再结合热腔模拟, 研究了输入腔的吸收匹配问题, 依据各腔体对基波电流逐级调制情况, 优化配合各腔体的间隙等结构参数, 从而获得电子束的最佳调制状态, 最后通过调节外加均匀磁场大小获得百MW功率输出, 结果表明: 在加速电压520 kV、束电流460 A、外加磁场0.4 T的条件下, 当注入信号功率为1 kW时, 基波电流调制深度达162%, 最终输出功率105 MW, 效率43.5%, 增益50 dB。

针对通信与雷达系统对双极化与宽带天线的要求, 提出了一种基于带状线馈电的双极化蝶形天线。通过两对互相正交的蝶形阵子实现了天线的双极化, 并采用一种新型的微带线转异面带状线的巴伦给两对正交蝶形阵子平衡馈电。异面带状线为平衡传输线, 满足了蝶形阵子对于平衡馈电的要求。在馈电点处由同轴线对微带线馈电, 经渐变微带线转化为异面带状线, 最后由两组异面带状线给两对正交蝶形阵子馈电。测得该天线实现了69.23%的阻抗带宽, 在6.8～14 GHz频带内电压驻波比(VSWR)小于2。为使天线单向辐射且改善天线增益, 将天线放置于反射吸收腔内。测得天线在6.8～18 GHz的频宽内VSWR基本小于3, 天线增益在8～12 GHz频带内大于0.11 dB, 天线前后瓣比大于15 dB。因此, 所提出的双极化蝶形天线可用于宽带通信系统中。

针对双开槽的双光栅开放式谐振腔, 提出了一种基于矩形波导谐振腔理论的计算方法, 给出TE04模式场分布的结构设计修正公式, 用于进行准光学谐振腔结构设计优化, 通过增强电子注区域的电场强度, 可有效提高电子效率。同时对双光栅慢波结构“冷”色散特性进行了计算, 分析了不同参数对其高频特性的影响。结果表明, 双光栅槽宽和电子注通道宽度的变化会对其色散特性的频带上限产生较大影响。

复杂线缆束系统的电磁耦合分析, 随着电磁环境的日趋复杂化, 显得越来越困难。而高功率电磁辐射技术的发展, 对具有复杂电缆束网络和电子设备的系统, 带来了严重的电磁威胁。这从电磁攻击与电磁防护两方面, 对复杂线缆束的电磁耦合分析, 都提出了更加迫切的需求。由于复杂线缆束网络所涉及的几何空间的边界条件十分复杂, 所以很难用时域有限差分(FDTD)或频域有限差分(FDFD)方法求解复杂线缆束网络系统的电磁耦合问题。我们在基于传输线理论, 采用拓扑学中将空间按照拓扑结构进行分解的思想, 建立了线缆束网络电磁耦合的拓扑模型, 得出了计算复杂线缆束网络系统终端耦合电压与电流的计算方法, 并给出了仿真计算实例用以验证电磁拓扑法处理线缆网络电磁耦合效应的有效性。

为明确频率搅拌方式下嵌套混响室内的场分布, 在混响室电磁统计特性的基础上, 对嵌套小室内外的场分布进行了理论研究, 重点对小混响室开窗大小对场分布的影响进行了分析。当窗口为电大尺寸时, 小混响室内外均服从瑞利分布; 为电小尺寸时, 参考车-车链路通信的统计特性, 小混响室内部应满足双瑞利分布。在某大型混响室内, 借助矢量网络分析仪, 通过测试收、发天线间的散射参数S21, 实现了样本数据的快速采集, 并将样本数据与理论分布模型进行了拟合优度检验(KS检验), 检验结果证明了假设分布的正确性。

电子设备电源线一般为双绞线, 由于结构特殊, 在计算其受辐射负载响应时非常繁琐。很多情况下, 电源线中有一条是连接大地的地线, 且离地高度远大于绞线间距。针对该类双绞线受辐射时的负载响应计算问题, 从Taylor模型出发, 提出一种分析接地平行双线负载响应的简化模型, 并推广至双绞线。该模型是将接地双绞线等效成电流为两倍的理想导电平面上的单导线模型, 通过求解单线模型的BLT方程, 计算其负载响应。与CST仿真结果的比较证明了该模型的有效性。

基于Robinson等效电路法, 提出了一种电磁拓扑模型, 用于任意平面波入射条件下的孔缝箱体屏蔽效能分析。该模型将孔缝及其所在平面等效为连接自由空间(等效为特性阻抗为Z0的传输线)和剩余箱体(等效为特性阻抗为Zg的短路矩形波导)的二端口网络, 并通过等效电路模型计算了该二端口网络的散射矩阵, 进而推导出描述孔缝耦合的广义BLT(Baum-Liu-Tesche)方程。设计了4组实验模型用于电磁拓扑理论(EMT)算法、Robinson算法和CST软件的对比分析, 仿真结果证明: EMT算法较Robinson算法具有更高的准确率, 尤其是在高频域; EMT算法继承了Robinson算法简洁高效的特性, 且能直观反映箱体参数、孔逢参数对屏蔽系数的影响, 较CST软件实用性更强。

利用六波长瞬态光学高温计测量了“神龙一号”加速器发射的高能电子束与靶材作用后靶受作用区的温度变化过程。获得了厚度为0.1~0.25 mm的Ta, Al和Cu片靶与强流电子束作用后的温度变化过程, 最高温度接近9000 K, 达到了温密物质区域。实验结果表明, 利用“神龙一号”加速器发射的强流电子束与特定靶材作用可以获得可供观测的温密物质, 而多波长瞬态光学高温计是测量这种温密物质的温度变化的有效手段。

为了克服目前潘宁(PIG)离子源中子管引出正离子所带来的诸多不利因素, 使用PIG型氢负离子源作为中子管的离子源, 研究了氢负离子产生的机理, 以期在中子管中获得应用。给出了PIG离子源结构, 根据氢负离子产生的方式和条件, 结合CST软件仿真实验, 确定在对阴极和引出孔附近区域存在氢负离子, 而且是氢负离子密度比较大的区域。实验中, 通过负离子源产生系统证实了氢负离子的存在及分布规律, 中子监测仪测量自成靶50 mm负离子源陶瓷中子管, 中子产额较传统正离子中子管高出一个数量级以上。

在康普顿散射成像(CST)技术中可以结合透射成像重建出衰减系数来消除散射重建的非线性, 但这样得到的投影矩阵带有误差。而CST重建问题的不适定性对噪声和投影矩阵的误差非常敏感, 重建结果会有较大误差。针对此问题, 基于压缩感知理论提出了一种新的CST重建算法。新方法将图像重建问题归结为一个图像的全变分(TV)最小化问题, 并使用收敛速度较快的基于交替方向法的Split-Bregman方法进行求解。在仿真实验中, 通过与代数重建技术(ART)进行比较, 在测量数据充足和测量数据不足两种情况下, 本文算法都具有更好的重建质量, 证明了所提算法在重建精度和抗噪性能方面的优势。

利用瞬态X射线衍射技术对LiF单晶沿晶向[100] 方向冲击加载的晶格变形进行了诊断研究。实验在神光Ⅱ装置的球形靶上进行, 北四路激光驱动Cu靶获得的类He线作为X射线背光源, 第九路为加载光源, 对大小为7 mm×7 mm、厚300 μm的受激光加载的LiF单晶衍射, 实验获得了LiF单晶晶面(200)压缩和未压缩状态的衍射信号。实验结果表明: LiF单晶在激光沿[100] 方向冲击加载下, 晶格发生了弹性变形, (200)晶面间距变小, 衍射线上移, 晶格压缩量为11%; 该瞬态X射线衍射技术可用于冲击加载下的微观动态响应特性测量。

基于惯性约束聚变强激光装置中金属化膜脉冲电容器“自愈”的失效机理, 提出了更为适合的冲击模型金属化膜脉冲电容器可靠性评估方法。现有的加速退化试验中, 失效阈值往往是事先确定的, 但考虑可靠性产品个体差异及环境影响的不同, 这是不合理的, 针对此问题提出了基于随机阈值的冲击模型金属化膜脉冲电容器退化建模的方法。由于模型过于复杂, 采用MCMC方法进行参数估计。最后通过对电容器的仿真实验, 将随机阈值下的评估结果与固定阈值的情况相对比, 说明了该模型和方法的合理性, 并进一步分析了不同的阈值分布均值和方差对产品可靠性的影响。

搭建了RLC放电回路, 研究了不同氩气气压下铝丝电爆炸二次放电特性。结果表明, 随着气压的变化, 电爆炸二次放电电压曲线呈U形。为了阐明氩气和铝蒸气在二次放电过程中的作用, 利用光谱仪和高速分幅相机分别研究了二次放电等离子体的自辐射光谱特性和空间分布特性, 发现: 在低气压下氩气会参与放电, 放电通道在铝蒸气表面; 高气压下主要是铝蒸气放电, 氩气基本不参与放电过程, 放电通道在铝蒸气内部。

针对铝单丝Z箍缩负载, 计算其可形成金属蒸气而不形成核冕等离子体的电路和负载参数范围。提出了铝丝电爆炸形成金属蒸气的能量沉积判据和击穿电压判据; 建立了热动力学模型, 选取电路参数使得金属丝气化时放电回路电流恰好迅速下降, 从而避免发生电压击穿。计算了典型电路下的负载电流、电压、电阻及沉积能量的变化曲线, 并分析了回路总电感、充电电压以及负载丝长度、直径对其的影响规律。计算结果表明: 当储能电容为150 pF、充电电压为65 kV、回路电感为300 nH时, 可驱动直径20 μm、长2 cm的铝丝电爆炸形成铝丝蒸气。快电流前沿、小丝直径和较短的丝长度有助于提高负载中的单位质量沉积能量, 容易电爆炸形成金属蒸气负载。

选择基材料是高能双能X射线基材料分解法的重要环节。为了解基材料对材料识别精度的影响, 确定选择基材料的方法和原则, 利用美国国家标准与技术研究院(NIST)给出的材料的线性衰减系数, 选择不同基材料, 分析计算了各种待检测材料的原子序数和电子密度及相对误差。归纳总结出选取基材料的“临近原则”, 即基材料与待检测材料的原子序数接近, 能提高待检测材料原子序数和电子密度的分解计算精度。在此基础上, 提出了四能基材料分解法。理论计算表明四能基材料分解法比双能基材料分解法对多种材料的整体识别精度更高, 更适合用于多种材料同时存在情况下的识别与检测。运用蒙特卡罗方法模拟验证了四能基材料分解法用于实际的可行性。

BEPCⅡ上正在进行激光丝系统的研究。基于GEANT4对激光丝系统探测器进行了模拟。首先模拟了康普顿散射信号在探测器材料中电磁簇射的分布, 确定了探测器初始尺寸。之后模拟了不同尺寸下探测器的输出, 根据模拟结果确定了探测器的最终尺寸, 使得探测器在所确定的尺寸有较大的信号输出。还进行了不同康普顿散射位置时探测器的响应模拟, 结果表明束流管道的影响是不可忽略的, 是探测器响应非线性的主要原因, 预计该结果对束流截面测量有重要意义。最后简要介绍了BEPCⅡ几种可能的束流能量时, 探测器信号输出和能量泄漏的模拟结果。

考虑电子束横向发射度和电子β振荡, 将2005年国际上提出的单通过高增益自由电子激光饱和状态分析的统计物理方法发展到三维情形。首先建立一种描述电子三维运动的归一化简化模型, 推导了一维光场下包含电子横向运动的Vlasov方程。在螺旋型波荡器情形下通过引入横向运动守恒量发展了三维统计物理分析方法, 并编写了相应计算程序, 计算自由电子激光达到饱和时系统的光强增益、聚束因子。作为对比验证, 编写包含N个电子自由电子激光系统的三维直接数值模拟程序, 结果表明数值模拟和统计计算结果相一致。对比文献中一维模拟和一维统计理论计算结果, 所得结果反映了电子束横向发射度以及电子在波荡器中的横向β振荡对饱和点参数的影响。

基于正在建设的大连自由电子激光装置, 研究了基因算法在注入器优化设计中的系统应用。与传统的注入器优化方法相比较, 基因算法在多变量、多目标注入器优化问题中具有优化效率高、优化结果精确的优势; 通过采用权重因子的方法将多目标问题转化为单目标优化问题, 大大简化了基因算法优化流程; 光阴极注入器对束流稳定性要求严格, 通过基因算法优化使束流的到达时间抖动控制到150 fs, 满足束流稳定性的要求。

针对BT20钛合金锻件当量孔损伤进行激光沉积修复试验, 考察了修复试样的组织和力学特点。修复区与基材之间形成了致密冶金结合, Al, Zr, Mo, V合金元素由锻件基体到激光修复区均匀分布, 无宏观偏析, 硬度分布从基材到修复区依次提高。热影响区组织是由基材的双态组织过渡到网篮组织; 修复区组织为粗大的原始柱状β晶, 晶粒内为α/β网篮组织, 晶内α片层取向随机, 宽0.4~0.5 μm。修复过程中发现, 激光加工工艺参数选择不当、坡度过大等原因会造成修复区组织形成气孔和熔合不良等缺陷, 但是通过优化工艺参数可以获得无缺陷修复试样。修复试样的室温静拉伸结果表明, 试样的抗拉强度接近锻件基体强度, 但修复件的韧性比锻件稍有提高。

为了研究硬质合金表面激光微织构对其表面润湿性的影响, 利用光纤激光不同功率(3, 5, 7, 9, 10 W)及不同加工次数(1, 2, 3, 4, 5)加工微凹坑, 采用VHX1000c超景深三维显微镜、光学显微镜分析微凹坑形貌, 利用CAM 200光学接触角仪测量表面微织构(微凹坑直径、深度和织构密度)与润湿性之间的关系。结果表明: 随着激光功率的增大, 微凹坑深度增加, 直径变化不明显; 硬质合金表面的亲水性能随着微凹坑深度的增加而减小; 随着微凹坑直径的增大, 亲水性增强; 随着微织构密度的增加, 亲水性出现极值。

针对航空激光防护技术研究需求, 开展了复合涂层材料的激光烧蚀效应综合研究。采用圆棒固体激光器作为测试光源, 搭建了具有在线温度测量功能的烧蚀实验平台。在此基础上, 对聚碳硅烷(PCS)涂层样品开展了激光烧蚀实验。通过对烧蚀区域形貌和温度数据的对比分析, 证明了PCS复合材料具备显著的激光防护作用。同时, 从理论方面对涂层的激光防护机理进行了研究, 基于材料热传导方程, 建立了激光烧蚀过程的热力学模型, 对温度场变化进行了模拟。研究结果表明, 在复合涂层的保护下, kW级激光仅产生百℃的金属基底升温。