基于主振荡功率放大结构设计了kW级全光纤激光器, 对激光器的功率分布及输出、弯曲选模以及冷却条件下增益光纤的热分布进行了数值模拟分析。搭建了所设计的全光纤激光器, 在注入总泵浦功率1436 W时, 实验获得了1060 W高功率连续激光输出, 光光转换效率73.8%, 光束质量因子小于1.6。初步分析了导致激光器实验输出与理论设计二者偏差的原因。

为实现氧碘化学激光器(COIL)喷管流场大规模数值模拟, 采用VICON程序中的基本方程与数值算法, 应用JASMIN框架中的基本数据结构--网格片, 以及多块结构网格拼接并行算法, 发展了三维多块COIL并行模拟程序。数值实验结果展示了该并行模拟程序的正确性及可扩展性, 并在2048个处理器核上模拟450万网格单元算例, 加速比超过420。

研究了利用哈特曼波前传感器测量大气相干长度的两种方法: 一种是测量两个子孔径恒星光波到达角起伏方差的差分像运动法; 另一种是测量恒星波前分布, 通过波前分布的剩余方差推算得到大气相干长度。试验测量结果表明, 两种方法得到的测量结果基本一致, 得到了大气相干长度的可靠数据, 两种方法得到了相互验证, 实现了在应用哈特曼波前传感器测量大气波前分布时, 同时得到当前的大气信息, 对分析哈特曼波前传感器的测量结果有参考意义。

提出了一种基于时分复用的多束高重复频率全光纤激光脉冲时间波形实时精密测量技术, 针对分类成组的多束高重复频率全光纤激光系统不同测量功能需求, 分别设计了1×8时分复用器、不同延时量的1×2时分复用器, 实现了48路、144个1 kHz光纤激光整形脉冲时间波形宽度、上升沿、面积等关键参数的精密测量, 同时实现了多束高重复频率全光纤脉冲激光系统运行状态的实时监测。

利用超音速气流环境模拟装置, 开展了自然对流和马赫数为3切向气流下, 1064 nm连续激光辐照TA15钛合金和LY12铝合金热响应实验研究, 得到了材料在两种条件下的温升曲线及熔穿时间。结果表明: 在激光辐照材料未使得其表面发生熔化前, 气流对材料激光辐照过程中的冷却效应较为明显, 在表面发生熔化时, 熔化的液态物质在气流切向力剥蚀作用下被吹离材料表面, 使得激光继续作用在材料上, 熔化→剥离→熔化→剥离如此反复, 可加速熔穿过程; 此外, 切向气流将影响钛合金这类热扩散系数较低材料的温度场分布, 使得气流下游处的温度高于上游, 而对铝合金这类热扩散系数较高的材料而言, 影响不明显。

针对目前红外焦平面成像系统在观察目标、特别是极值温差目标时, 各温度段灰度描述不均匀和细节不够的问题, 提出了一种自适应红外图像双局部增强算法。详细介绍了通过空间分布和灰度统计特性两个方向实现对极值温差图像自适应增强的方法, 该方法首先从红外图像的空间分布特性出发, 将图像切割成多个局部图像, 然后再从直方图灰度分布出发, 将局部图像的直方图进行聚类分段, 并对分段直方图均衡增强, 最后对生成的每个局部图像增强结果进行线性插值拼接完成增强算法。通过在红外焦平面系统中实验证明了极值温差自适应的红外图像双局部增强算法的可行性, 并获得了很好的效果, 成像质量有明显提高。

基于经典耦合波理论, 分析了透射型体Bragg光栅的衍射特性, 建立了透射型体Bragg光栅的设计体系。采用带有调制的超高斯光束, 对高功率激光系统的近场滤波进行了理论模拟, 采用软化因子、近场调制度、近场对比度分析了输出光束的近场质量, 采用功率谱密度函数分析了近场滤波对不同空间频率的滤除能力。研究结果表明, 近场滤波对0.3~2.0 mm-1的中、高频调制具有显著的滤除作用。

以激光驱动飞片速度场诊断为例, 展示线面同时成像任意反射面速度干涉仪(VISAR)技术在超高速碰撞研究中的应用前景。将传统VISAR改为成像干涉结构, 用变像管扫描相机和高速光电分幅相机分别记录作为信号载体的梳状干涉条纹随时间的变化, 实现靶面一条线上各点速度历程和多个时刻二维靶面上所有点速度相对分布的测量。所研制的线面同时成像VISAR具有10 μm的空间分辨和约15 m/s的速度分辨能力。用其测量了激光驱动铝膜飞片的速度场, 直观给出飞片的演化发展过程。实验结果表明, 线面同时成像VISAR技术可以为激光驱动飞片、超高速碰撞等领域的理论研究和数值模拟提供有效比对实验数据。

提出了一种用于大型激光装置的精密同步系统总体架构技术。该技术采用时钟及数据恢复、光级联技术成功地实现了多数量、多种类同步触发信号的有序组合, 保证了同步触发信号的精度, 获得的ps级精密同步触发信号的时间间隔抖动为: 峰峰抖动小于100 ps, 均方根值小于10 ps。

分析了激光相干合成装置及其光路调整要求, 提出利用剪切干涉检测合成光路中子光束一致性的方法。分析剪切干涉原理, 建立了剪切板干涉物理模型, 以相干合成中两路矩形光束拼接组束为例, 数值模拟并研究了子光束的整体倾斜、离焦所对应的剪切干涉条纹, 得到了条纹图像与子光束光轴误差、离焦误差之间的对应关系, 用于相干合成光路中子光束光轴和发散角误差的判断。光轴倾斜大于5 μrad时, 可以直接观察互干涉和自干涉条纹变化, 发散角在大于10 μrad时, 干涉条纹变化明显。此外, 剪切干涉的自干涉条纹平移可用来检测子光束间的活塞误差, 可作为光束拼接相干合成中闭环相位检测和控制的手段。

基于金斯堡-朗道方程模型, 针对100 kHz光纤啁啾脉冲放大系统中的B积分受限问题进行了理论分析, 包含群速色散、增益色散、平均功率饱和和能量饱和效应及自相位调制效应。给出了典型放大器构型下脉冲可压缩性随B积分的变化关系。得到了展宽脉冲宽度为1 ns条件下, 亚ps压缩脉冲对系统总的B积分限值约为40 rad。对短间隔脉冲串放大特性和B积分进行了理论研究, 验证了在单脉冲B积分受限不变的情况下可以实现总脉冲能量倍增。

为解决小型环形激光器输出信号信噪比随腔长减小而下降的问题, 研制了一种压制He-Ne气体放电辉光的滤光片。该滤光片的中心波长为632.8 nm, 入射角为45°, 其基片是截止波长为550 nm的短波截止红色玻璃, 基片前表面镀有19层瞙系结构为{HL2HLHLHLH2LHLHLHLH2LH}的窄带滤光片, 后表面镀有4层非规整减反膜。使用离子溅射法和石英晶振膜厚监控方式制备了该滤光片, 并对其进行了反向工程拟合, 拟合的理论曲线与用Lambda950分光光度计正入射实测的透过率曲线较为吻合。将该滤光片胶合在环形激光器的输出镜后表面, 其有用的激光信号幅值基本不变, 而噪声幅值下降了约80%, 表明该滤光片从光学上使输出信号的信噪比提高了5倍, 降低了后续电路处理的负担及复杂度, 为小型环形激光器的研制起到了一定的作用。

使用主动冷却技术降低化学氧碘激光器(COIL)尾气的温度, 是提高引射式压力恢复系统引射效率的一项关键技术。采用理论计算和数值模拟的方法, 得出了满足技术指标要求的冷却器系统设计参数, 并研制了一套以管翅式热交换器、液氮循环汽化提供制冷量的COIL尾气主动冷却试验装置。与激光器的对接试验结果表明, 在COIL出光60 s试验中, 热交换器可以使尾气温度从590 K降低到160 K, 出口截面温度不均匀度小于21 K, 经过热交换器的气流总压损失小于100 Pa。

通过改变辐照激光脉冲数、激光的平均功率、显微镜物镜倍数/数值孔径等研究微皇冠结构形成与加工条件的关系, 并借鉴激光熔池形成和液滴溅射的模型对其进行理论分析。当激光脉冲数达到一定数量后, 烧蚀区域会出现微皇冠结构。烧蚀区域尺寸的改变是由于形成的液体区域中热毛细作用和化学毛细作用共同所致; 微皇冠结构溅射个数的改变是由于形成的气体因多光子吸收体积迅速膨胀所致。

用电子束蒸发法在熔融石英基底上沉积了适用于248 nm的HfO2/SiO2高反膜, 为提高其抗激光损伤能力, 设计并制备了两种保护层, 一种是在常规高反膜系的基础上镀制二分之一波长厚度的SiO2保护层, 另一种是用Al2O3/MgF2做保护层。测试了3种高反膜样品的激光损伤情况, 通过损伤形貌的变化分析了两种保护层使抗激光损伤能力提高的原因以及存在的问题。

为了研究影响飞秒激光烧蚀0Cr18Ni9不锈钢精度的因素, 采用飞秒激光对0Cr18Ni9不锈钢进行了切割和打孔实验。利用光学显微镜、光学金相显微镜等设备, 对不锈钢烧蚀区形貌和切缝显微组织进行检测, 基于烧蚀过程中CCD实时采集到的不锈钢表面的激光光斑图样, 采用COMSOL Multiphysic数值模拟软件, 模拟了烧蚀过程中激光束的发散传播行为, 并计算了光束发散角。结果表明: 当激光重复频率为5 kHz时, 厚度为160 μm的0Cr18Ni9不锈钢切缝和孔边缘被明显烧黑, 切缝处晶粒明显长大, 存在热影响区; 烧蚀过程中, 由飞秒激光超高功率密度所致的金属-空气混合等离子体使光束沿传播方向上发生散射, 发散角在6°~10°之间。热影响区的存在和混合等离子体的行为是影响飞秒激光烧蚀0Cr18Ni9不锈钢精度的主要因素。

利用自发振动拉曼散射技术测量了煤油燃烧场主要组分的摩尔分数。基于355 nm激光激发振动拉曼散射建立了自发拉曼散射实验系统, 测量了空气中主要组分的摩尔分数, 分析了该技术的测量精度; 测量了煤油蒸气在355 nm激光激励下产生的荧光光谱, 分析了荧光信号对拉曼信号的干扰; 对不同燃烧条件下的煤油燃烧场进行了诊断, 获得了贫油条件下煤油燃烧场主要组分(N2, O2, H2O, CO2等)的拉曼光谱, 计算了组分摩尔分数及其随燃烧时间的变化规律。

根据平台和目标的位置、姿态信息, 利用旋转矩阵建立了运动平台目标引导模型。在此基础上进行仿真分析, 通过计算平台和目标数据存在不同水平误差条件下引导数据的精度, 研究了平台和目标数据对引导数据精度的影响。仿真结果表明, 对方位角引导数据精度影响较大的参数为平台经度, 纬度以及航向角; 对俯仰角引导数据精度影响较大的参数为平台经度、纬度、俯仰角以及横滚角; 对距离引导数据精度影响较大的参数为平台经度和纬度。

在菲涅耳数的基础上重新定义了衍射特征量, 并将其定义扩展至聚焦或发散光路, 定义了一个光学系统中各光学元件衍射特征量的符号。通过全新的定义和扩展, 研究了波前畸变对近场调制度的影响以及正弦调频光谱色散平滑光束衍射传输引入的幅频调制的大小。以神光-Ⅲ主机主放大级为例, 研究了元件波前畸变对近场调制度的影响以及正弦调频光谱色散平滑光束衍射传输引入的幅频调制的大小。衍射特征量与能流分布F相结合, 可以作为评价高功率激光装置线性传输效应的一项受限指标, 指导高功率激光装置的设计。

提出一种利用相位连续可调诱导产生的双艾里光束形成方形光瓶的方法。该方法首先利用二值化后的相位调制出双艾里光束, 为了能够实现光瓶能量分布, 一个可调控的线性因子被引入到相位调制函数中形成新改进的相位, 该相位能够灵活地调节光瓶的大小。数值模拟结果表明高斯光束通过该改进相位调制, 能够形成光瓶能量分布的光束。该方形光瓶光束可应用于光镊、原子捕获与操纵。

大口径投影光学系统采用低成本、大口径菲涅耳透镜制作, 可将远场散斑强度分布投影到CCD成像探测器上。通过CCD图像处理, 能够对给定孔径上的接收功率、闪烁指数进行量化评估; 在接收孔径足够大、保障散斑不会因为光束漂移效应而脱离菲涅耳透镜的条件下, 该系统还可以对光束漂移和特征半径进行量化评估。同时讨论了CCD像元响应非均匀性误差及其影响、CCD辐照响应函数和图像几何投影系数的定标方法。实验表明, 系统能够对激光大气传输过程中的远场散斑特征参数进行监测。特别对自由空间激光通信系统而言, 可以为大气衰减和多种大气湍流效应综合作用下的中值电平慢衰落研究和检测阈值优化设计提供实验数据支撑。

通过主动相位控制实现了两路固体激光器的高光束质量相干合成输出, 总输出功率达到240 W。建立了两路120 W板条激光放大器, 通过光束整形获得了高光束质量方形光斑, 并实现了高占空比光束拼接, 填充因子高于92.4%。研制了光轴一致性探测与控制系统, 采用基于压电陶瓷的快反镜实现了光轴的高精度闭环控制, 两束激光光轴一致性优于2 μrad(RMS)。设计了基于现场可编程门阵列(FPGA)的相位探测与控制系统, 用随机并行梯度下降算法(SPGD)锁定了两束激光的活塞相位。相位闭环后, 远场光斑峰值提高到开环状态的1.7倍, 为理想值的84%。合成光束主瓣包含67%的激光总能量, 光束质量(BQ)为1.1。

基于菲涅耳-基尔霍夫衍射积分理论, 研究了端面泵浦固体激光器中泵浦源--LD阵列光纤耦合模块的输出光空间特性, 及其对振荡光特性的影响。结果显示: LD阵列光纤耦合模块的输出光强分布不平滑, 呈多尖峰分布, 尖峰位置对LD光束指向角敏感, 随指向角、空间排布等因素的变化而变化, 是多种因素综合作用的结果; 具有尖峰结构的泵浦光场对振荡光横模结构有直接影响, 泵浦光尖峰位置越居中, 光强径向分布曲线在轴心处越凸起, 振荡光光束质量越好, 越凹陷, 振荡光光束质量越差, 在激光器设计中应有针对性地具体考虑应对措施。

采用等离子体气相凝聚技术制备了银纳米团簇颗粒, 开展了实验条件及工艺参数对团簇平均粒径和粒径分布的影响。利用四极质谱分析仪在线测量了银纳米团簇的粒径尺寸与分布, 并与透射电子显微镜(TEM)离线测量值进行比对。研究结果表明: 保持其他参数不变时, 增大结露区长度或溅射电流, 银纳米团簇的平均粒径尺寸将增大; 增加氩气流量, 银团簇粒子平均粒径也相应增大, 但当氩气流量增至60 mL/min以上时, 其平均粒径反而会减小。而氦气的加入会使平均粒径尺寸减小。在各工艺参数中, 溅射电流和氩气流量是影响银纳米团簇平均粒径的主要因素。通过调节工艺条件, 获得了平均粒径尺寸为2, 4和6 nm的银纳米团簇, 四极质谱仪监测的粒径分布与TEM离线表征结果总体一致。

间接驱动激光聚变过程中, 黑腔内物质处于非局域热动平衡(non-LTE)状态, 而且辐射传输具有非平衡、各向异性等特点。为了精确描述黑腔辐射场的演化及其与物质的相互作用, 最新研制的激光聚变二维总体LARED集成程序, 基于non-LTE的多群辐射输运建模, 首次实现了激光黑腔靶实验的全过程数值模拟。数值结果表明, 辐射输运计算较好地反映了黑腔辐射场均匀性变化, 腔壁光斑区与非光斑区X光发射强度比与实验测量值接近, 靶丸压缩形状与实验图像定性一致。

基于神光Ⅱ激光装置, 利用第九路激光与金属靶Pd作用产生了能谱在2.9~3.6 keV的X射线源, 其转换效率达到8%。通过多角度带通XRD测量其发射角分布, 其分布满足cos1/3θ的规律。研究结果表明, Pd X射线源具有高亮度以及能点适中的特性, 可以应用于惯性约束聚变、天体物理等前沿科学研究。

基于高功率激光装置对脉冲氙灯工程运行可靠性的要求, 利用现有的能源模块开展了氙灯放电考核实验。实验结果表明: 虽然氙灯运行在安全的能量负载水平, 当能源模块单个放电回路的峰值功率超过300 MW时, 氙灯石英玻璃管壁存在热损伤风险。肉眼观察到管壁损伤后在反射器对侧的灯管内壁出现乳白色沉积层。经扫描电镜和X射线光电子能谱测试分析, 证实热损伤形成的乳白色沉积物为二氧化硅。为探究管壁热损伤机制, 采用高速摄影观测了氙灯放电等离子体沟道发展过程。图像显示放大器内金属反射器的几何形状对放电沟道的分布产生了显著影响, 尤其是在侧灯箱, 灯内电弧沟道会靠近反射器一侧集中分布, 因此, 导致等离子体对灯管的偏烧。当放电峰值功率超过石英热负载极限时, 管壁表面二氧化硅材料会被烧蚀至蒸发、气化, 并随后沉积在灯管较冷部位。研究结果表明放电回路的放电峰值功率过高、放大器内金属反射器均会对氙灯造成热损伤。

点火黑腔内环激光通道内靠近黑腔壁的区域是内环激光受激拉曼散射(SRS)背向散射产生与发展的主要区域。根据内环通道在该区域满足通道内外压力平衡和能量平衡, 提出了间接驱动惯性约束聚变点火黑腔等离子体定标关系。该定标关系在一定程度上统筹考虑靶丸性能、激光器指标和激光等离子体相互作用(LPI)。在此基础上, 根据靶丸抑制流体不稳定的需求, 提出了一个350 eV点火黑腔设计, 该设计可以较好地抑制内环LPI的发展, 并对激光器设计提出了更高的要求。

为实现μs档条纹相机扫描非线性标定, 建立了基于延时可调信号源和外触发激光器的条纹相机μs档扫描非线性标定系统, 弥补了标准具法的不足。系统通过延时值的递增, 得到条纹相机扫描速度在全扫程的变化。系统中时间关系抖动来源主要是测试设备延时抖动和条纹相机触发延时抖动。时间抖动测试与分析显示, 条纹相机延时抖动±0.6 ns, 测试设备延时抖动±0.3 ns, 系统总时间抖动±0.7 ns。系统时间抖动会造成最终时间轴信息的起伏。大量数值模拟分析表明, 时间轴起伏对系统时间抖动的影响±2 ns, 在可以接受的范围内。因此, 该系统能够胜任条纹相机μs扫程时间信息的测量标定。

模拟研究了过模矩形波导WR10中n型硅探测芯片对TE10模亚毫米波的响应。针对过模波导WR10中内置n型硅芯片的亚毫米波探测结构, 推导了基模工作时的灵敏度表达式。采用三维电磁场时域有限差分方法, 模拟计算了过模波导中300~400 GHz频带的TE10模亚毫米波与硅芯片的相互作用, 分析了探测结构中电压驻波比和芯片内平均电场随硅芯片参数变化的规律。结果表明, 在相同的芯片参数下, 过模探测结构并不影响电压驻波比和芯片内平均电场的大小, 但两者随频率变化的波动程度增大。在300~400 GHz工作频带内, 优化得到了性能较优的过模探测结构, 其电压驻波比不大于2.75(335~380 GHz频带内不大于1.8), 线性工作区的相对灵敏度约为0.127 kW-1, 频率响应的波动范围在±20.5%内, 最大承受功率约为0.53 kW, 响应时间为100 ps量级, 满足亚毫米波大功率脉冲的直接探测需求。

采用时域有限差分法, 并结合导体边缘奇异性处理技术, 在不降低计算效率的情况下, 保证了计算精度, 得到了高功率电磁脉冲辐照下X波段4单元微带天线阵的响应。计算结果表明: 馈电点最大响应电压峰值由天线阵各阵元接收的入射脉冲在馈电点叠加引起, 且天线阵中主要存在与馈电点激励天线阵不同模式的波。响应电压峰值随着入射脉冲波矢量与正z轴夹角的减小而增大, 随着入射脉冲波矢量xOy平面投影与正x轴夹角的增大而增大, 频谱随着上述两个夹角的增大均向低频转移。

提出了一种在圆波导中添加金属分割片及半边金属管壳的结构以实现圆波导TM01-TE11模式转换。通过金属分割片将圆波导分成两个半圆区域: 其中一个半圆区域为空波导, 另一半圆区域为填充一定厚度金属管壳的空波导。在S波段对设计的中心频率为2.8 GHz的物理模型进行数值模拟与实验研究, 模拟结果表明: 在中心频率2.8 GHz转换效率为99.56%, 反射率低于0.01; 在2.716~2.946 GHz频带内转换效率大于90%, S11小于-10 dB。实验中测试到的S11参数与模拟结果基本一致, 证明了该变换器技术方案的可行性和模拟结果的正确性。

研究了同轴传输线中金属光子晶体的电磁特性, 在此基础上优化了一种适用于窄带高功率微波源系统的金属光子晶体TEM-TE11模式转换器。该结构通过沿传输线角向部分填充的金属光子晶体实现移相。采用数值仿真程序对L波段模式转换器进行计算, 在1.57 GHz中心频率上, 模式转换器转换效率为99%; 在1.533~1.609 GHz频率范围内, 模式转换器效率大于90%, 相对带宽4.8%。加工了TEM模式激励器和辐射天线, 并在微波暗室对模式转换器进行了小信号测试, 验证了模式转换器的性能。

为了增加回旋管的功率, 采用双注磁控注入电子枪产生相对论电子注。与双阳极磁控注入电子枪相比, 双注磁控注入电子枪产生双束电子注, 在不影响电子注质量的基础上, 增加电子枪的电流; 电子枪产生相同电流时, 双注磁控注入电子枪电子注电流小, 电子注电子之间的空间电荷效应小, 能够降低电子注的速度零散, 提高电子注的质量。采用MAGIC软件数值模拟双注磁控注入电子枪, 设计出一支大束流、低速度零散的双注磁控注入电子枪。

综合考虑发射电子的发射能量、发射角度及微波场的相位分布等因素, 运用统计方法, 研究了介质表面单边次级电子倍增过程中次级电子数目、瞬时直流场、渡越时间、微波场的沉积功率等次级电子倍增特征物理量随碰撞次数的变化过程, 仿真分析了不同夹角、不同反射系数对次级电子倍增的影响。研究结果表明: 当倾斜直流场一定时, 微波场的反射系数越小, 雪崩击穿的延迟时间越长, 饱和状态下的次级电子数目越大; 微波场一定时, 当直流电场平行于介质板表面时, 直流电场幅值越大, 雪崩击穿的延迟时间越长, 饱和状态下的次级电子数目越大, 但当电场强度超过一定值时, 次级电子倍增现象不再发生, 当直流场垂直介质板表面, 直流电场幅值越大, 雪崩击穿的延迟时间越长, 饱和状态下的次级电子数目越小, 幅值超过一定值时, 次级电子倍增现象同样不会发生。

开展了具有同轴波纹渐变式反射器与光滑漂移段结构的相对论绕射辐射振荡器的研究, 并运用全三维粒子模拟软件CHIPIC对其进行数值模拟仿真, 分析了漂移段、反射器等结构对输出功率的影响, 探讨了反射器位置和输出功率的关系。仿真结果表明: 合适的漂移段与反射器的引入, 能大大提高输出功率。优化结构参数, 在输入电压480 kV下, 平均输出功率达到774.5 MW, 平均功率效率为32.3%。

为了更好地处理高功率微波探测过程中产生的样本数据, 在深入分析高功率微波特性参数的基础上, 建立一个高功率微波器件特征参数库, 并结合概率神经网络系统建立了一个高功率微波探测预测模型。通过部分学习样本和非学习样本进行预测, 预测结果证明该模型能够基本再现原始数据, 同时, 对非样本数据有着较好的预测能力。这一数据处理方法在处理复杂样本、模式分类和判别过程中具有较高的实用性和实时性, 能够在高功率微波探测数据的数据分类、结果预测等方面得到较好的应用。

将TEM喇叭天线密封进填充变压器油的尼龙天线罩中, 只要合理设计尼龙天线罩外形, 使变压器油形成聚焦透镜, 不仅能提高天线的功率容量, 还能改善其辐射特性。基于变压器油的缩波效应和椭球的几何性质, 借助几何光学理论, 设计了一款具有聚焦能力的椭球变压器油透镜。变压器油的缩波效应能够增大TEM喇叭天线电尺寸, 使TEM喇叭天线的辐射特性得到初步改善, 透镜的聚焦能力使天线的定向性得到进一步改善。为了验证理论分析的正确性, 另外设计了一款不具有聚焦能力的球状变压器油透镜作为参照, 两款透镜天线仿真结果与理论分析吻合。与大气中的TEM喇叭天线相比, 椭球变压器油透镜使TEM喇叭天线主波束变窄, 远场电压峰峰值提高56.97%, 阻抗带宽低频端从0.28 GHz扩展到0.2 GHz, 功率容量达到18.43 GW。

采用数值模拟与实验相结合的方法, 在没有功率容量不足问题的情况下, 研究了磁绝缘线振荡器(MILO)的输出微波脉宽和功率效率与类似三角形二极管电压的关系, 研究结果表明: 在相同宽度的电压条件下, 随着电压幅度的增大, 输出微波的底宽和半高宽相应增大, 功率效率先增大, 当达到饱和后功率效率逐渐降低; 在相同电压幅度条件下, 随着二极管电压上升沿(斜率不变)的增大, 输出微波的半高宽略有增大, 但功率效率略有降低。因此, 在有限脉宽的类似三角形二极管电压条件下, 通过增大二极管电压上升沿的方法, 可以有效地增大输出微波脉宽; 而在有限电压幅度条件下, 通过减小电压上升沿的方法, 可以有效地增大输出微波的功率。选择适当的二极管电压参数, 可以解决MILO器件在类似三角形二极管电压条件下的输出微波功率和脉宽两个指标相匹配的问题。

对双光栅绕射辐射器件谐振系统的Q值特性进行了分析, 研究了谐振系统结构参数对Q值的影响及其优化措施。结果表明, 双光栅绕射辐射器件谐振结构的Q值受矩形槽宽度和球面开放腔长度的影响最为明显。与奥罗管相比, 双光栅绕射辐射器件中光栅的引入对Q值的影响要小得多, 且光栅齿宽和齿深的增加都会导致谐振系统Q值降低。

中国工程物理研究院正在开展自由电子激光太赫兹源(FEL-THz)的研究。介绍了中物院FEL-THz束线的设计, 通过PARMELA和TRANSPORT等程序优化了束线参数, 并通过IMPACT-T和ELEGANT程序核对了模拟结果。优化结果表明, 电子束在摇摆器入口处能量7~8 MeV、平均电流5 mA、横向归一化发射度小于10 mm·mrad, 满足设计要求。

针对一种已经完成模拟设计、工艺研究及成品开发, 且线度仅为百μm量级的太赫兹脉冲热载流子探测芯片展开了几何参数及电参数测试, 并对其性能进行了分析探讨。结果表明: 探测芯片具有较小的几何加工偏差和良好的欧姆接触效果; 模拟计算的结果表明这种量级几何加工偏差对相对灵敏度影响可以忽略; 综合分析各种测试测量结果, 进一步验证了芯片开发工艺和测试结果的有效性。

给出了太赫兹波段折叠波导行波管中考虑管壁欧姆损耗的带电子束扰动的色散方程。求解该方程可以得到器件中小信号增益的值。通过编制Matlab程序, 分析计算了不同工作点、不同折叠波导结构参数和不同工作频段时小信号增益的变化特性。计算结果表明: 适当选取工作点和结构参数, 可以获得最佳增益值; 考虑损耗后, 除了前向增长的辐射场外, 还会出现反向传输的静态波; 随着工作频段向高频方向延伸, 前向波的增益显著降低, 而反向波强度则增大。因此, 工作频率提高时, 为了达到一定大小的增益, 需要的折叠波导的周期数也相应增加。

为了提高THz行波管的输出功率, 通过并行多注和功率合成的方法, 完成了并行多注D波段折叠波导行波管的理论分析与数值模拟。计算结果表明: 单束行波管在0.135~0.157 THz频率区间具有很好的色散平坦度, 3 dB带宽为13 GHz, 0.14 THz处获得了20.88 dB的最大增益; 多束合成行波管在0.14 THz处获得了20.8 dB的合成增益, 3 dB带宽区间合成效率不低于92%。数值模拟表明该方法很好地实现了多路放大信号的合成输出。并行多注行波管具有输出功率大、单束电流小、聚焦磁场低等优点, 能够在低发射电流密度条件下实现大功率THz辐射。

为研究贯通导体及其负载电路对金属腔体内部电磁场的影响, 建立了不同贯通导体端接负载模型, 使用电磁仿真软件CST进行仿真, 利用GTEM室、矢量网络分析仪、功率放大器、ETS电场探头组建实验测试系统, 验证了仿真结果的正确性, 揭示了贯通导体及其电路对金属腔体内部电磁场的影响规律。研究结果表明: 腔体内部电磁场同时受到贯通导体与腔体谐振的影响, 在谐振频点干扰场强取得极大值, 屏蔽效能取得极小值甚至为负值。贯通导体端接负载不接地与贯通导体两端开路情形相似, 贯通导体端接负载直接接地时内部场显著降低, 谐振频点降低, 贯通导体端接负载浮点接地时内部场变化规律低频时与开路模型相似, 高频时与直接接地模型相似。贯通导体端接负载的电阻值、电容值也会影响腔体的内部场。

开展了光电耦合器在0.01, 0.1, 1.0和50 rad(Si)/s四种剂量率下的伽玛射线(60Coγ)辐照实验, 结果表明: γ辐照导致光电耦合器电流传输比下降, 辐照到相同总剂量, 电流传输比下降幅度基本上随剂量率的减小而增大。在不拆封破坏光电耦合器的情况下, 通过对光电耦合器中的发光二极管I-V特性、光敏晶体管增益及初级光电流的测试, 以及耦合介质传输损耗特性的分析, 证明了导致光电耦合器电流传输比退化的主导因素是光敏晶体管C-B区光响应度的下降。

为了对20 cm口径LIPS-200环形会切磁场离子推力器的热设计研究提出优化建议, 利用LIPS-200离子推力器内部放电能量沉积数学模型计算结果开展推力器的稳态和瞬态热分析, 并进行热平衡试验加以验证。结果显示: 当推力器处于稳态工作时, 其内部磁钢的温度分布是影响推力器热设计的关键因素, 而通过提高推力器内外部件的表面发射率, 可以使内部关键部件温度降低50~60 ℃, 相关热平衡试验验证结果与仿真分析结果基本吻合。

在研究0.5 μm多栅NMOS场效应管γ辐照总剂量效应实验时, 发现部分多栅NMOS器件辐照前后的转移特性曲线出现交叉现象, 相关的解释鲜见报道。经过分析提出假设: 部分多栅NMOS在γ辐照实验过程中各栅极受到剂量不均匀的辐照, 导致辐照前后转移特性曲线出现交叉现象。计算机仿真结果表明: 受到剂量不均匀的辐照后, 多栅NMOS各栅极氧化层陷阱电荷和硅-二氧化硅界面电荷浓度不一致, 使各栅极阈值电压不同步漂移, 导致器件跨导退化和转移特性曲线交叉。通过仿真验证能够说明, 所提出的假设合理地解释了实验中的现象。

根据100 kV Mini-Marx脉冲发生器对触发源的技术要求, 设计了一种基于VE4141型氢闸流管气体开关器件的高压脉冲触发源。该触发源系统输出高压脉冲幅度达到0~30 kV、脉冲前沿小于15 ns、脉冲宽度大于500 ns, 不仅可以接收光、电和手动信号触发, 而且还可以通过接口来控制调整100 kV Mini-Marx发生器的充电电压以及电压显示。采用固态IGBT半导体开关器件产生预触发和主触发脉冲, 控制气体开关氢闸流管VE4141瞬间导通放电输出高压脉冲信号, 触发后级Mini-Marx脉冲发生器产生不小于100 kV的高压脉冲。

为获取PTS装置磁绝缘传输线的电流, 设计、标定了微分环。探头使用镍铬合金膜屏蔽空间电子, 采用在线标定。设计相应的馈入结构从负载区分别对不同层磁绝缘传输线馈入信号, 在每个三平板传输线出口的板堆过渡区位置安装短路杆, 能够在磁绝缘传输线上得到基本均匀的电流, 实现电流探头的逐层标定。频响分析表明金属膜屏蔽效应导致探头的高频特性变差。实验表明, 贴膜的探头频响上限为50.3 MHz, 满足被测信号的要求。实测PTS装置磁绝缘传输线电流与负载区电流的测量结果自洽, 且各层电流与总电流等结果符合理论预计。

设计了异面结构的GaAs光导开关, 开关厚度为0.6 mm, 电极间隙为3 mm。利用半导体激光二极管对开关进行了触发实验。随着开关两端偏置电压不断升高, 开关输出脉冲幅度线性增加, 输出波形与光脉冲相似, 当偏置电压超过一定阈值, 开关输出脉冲幅度显著增强, 输出脉冲前沿快于光脉冲, 开关进入了非线性工作模式。开关进入非线性模式, 除了与偏置电压有关外, 还与触发光脉冲前沿、能量有关, 实验发现触发光脉冲前沿越快, 能量越高, 开关越容易进入非线性工作模式, 所需的偏置电压也越低, 但当电压低至某一阈值时(实验中约6 kV), 即使增加触发光能, 开关也无法进入非线性模式。

气体开关导通时, 电极材料熔融或汽化并从电极表面移出, 导致开关绝缘子被染污, 并可能诱发开关内绝缘闪络事故, 直接影响气体开关寿命和脉冲功率系统稳定性。在开关内嵌入有机玻璃圆环, 收集黄铜电极熔蚀产物, 并研究其对开关绝缘子表面形貌和沿面绝缘强度的影响。实验结果表明, 电极熔蚀会产生大量金属蒸汽和溅射液滴, 且熔蚀产物具有明显的轴向分布特性, 其中, 金属蒸汽冷凝并附着在绝缘子表面, 形成细微的金属粉末; 溅射液滴轰击绝缘子表面, 在局部区域形成密集的表面裂纹和金属颗粒嵌入物。在两种电极熔蚀产物的共同作用下, 开关绝缘子表面绝缘电阻下降, 闪络场强降低; 同时, 绝缘子表面轴向不同区域的绝缘电阻差别很大, 引起绝缘子表面电压分布不均和局部电场增强, 最终导致开关绝缘子闪络电压降低, 闪络概率增大。

针对直线变压器驱动源(LTD)对开关的长寿命需求, 基于前期研制的200 kV低抖动多间隙气体开关电极几何参数以及开关通流水平, 详细开展了不同电极材料(钼、黄铜、铜钨合金、高密度石墨、304和321不锈钢 )的烧蚀性能实验。实验结果表明, 在单次电荷转移量15.4 mC, 脉冲电流20 kA条件下, 体积烧蚀速率从大到小依次为: 石墨、黄铜、铜钨合金、钼、不锈钢。电极烧蚀微观形貌分析表明, 不锈钢是用于LTD开关相对较好的电极材料。根据不锈钢电极的体积烧蚀速率, 可知理论上LTD开关的运行寿命可以超过1×106次, 但前提是开关外壳需保持足够的绝缘强度。

近代物理研究所针对改善兰州重离子加速装置注入器(HIRFL-SFC)引出束流的品质, 将主要考虑改进高频系统以提高Dee盒的加速电压、增加一个相位狭缝和采用平顶波加速等。其中采用平顶波加速可以有效地减小扇形聚焦回旋加速器(SFC)引出束流的能散并且提高其自身的传输效率。采用回旋加速器束流模拟程序AGORA对SFC进行模拟计算, 并比较有无平顶波加速系统下束流品质的变化。结果表明, 采用平顶波加速后, SFC的引出束流能散明显减小, 而且在引出偏转板入口处束流的径向尺寸及圈间距满足单圈引出的条件。

漂移管直线加速器(DTL)通过采用杆耦合器加速结构, 实现加速电场的稳定性。为了分析电场稳定性的调制机理, 简要说明DTL的腔体结构, 并对其进行集**数的等效模拟, 给出等效电路分布。最后着重对耦合杆与漂移管之间相互作用的等效电容进行了仿真研究。针对上述电路分布, 采用电路理论分析了高频场扰动及稳定性的实现机理。通过将稳定结构下的等效电容求解结果与该电容的模拟仿真值进行比较, 得出稳定状态下的耦合杆与漂移管之间间隙取值的合理区间。最后通过对不同调节条件下的扰动电场进行仿真分析, 一定程度上验证了结论的正确性。

以储存环逐圈位置频谱模型为基础, 通过一些假设条件推导出多束团模式下束流位置的频谱模型。利用上海光源储存环受激多束团位置信号频谱数据, 使用遗传算法进行多曲线数据拟合得到模型参数。结果表明: 在迭代100次的条件下, 该模型与原数据所有曲线的相关性均在95%以上, 并且可以精确估计多束团频谱曲线的双峰分裂。曲线拟合后的参数可以监测储存环阻抗的变化。

“强光一号”等离子体断路开关(POS)及负载二极管系统工作性能不够稳定, 通过分析数据指出POS等离子体源参数差异性是导致系统不稳定的主要原因。POS等离子体源参数重复性测量结果表明, 在开关断路时刻等离子体源瞬时发射等离子体密度重复性极差在10%左右, 而开关区间累积等离子体密度极差超过100 %。开关区间累积等离子体密度和阴极重粒子发射会对POS断路性能产生显著影响。计算表明开关区间累积等离子体密度差异对POS断路电流阈值影响达到200 kA, 与运行数据统计结果一致; 在断路电流阈值相同的条件下, 阴极物质逸出对二极管电压影响显著, MCNP程序计算结果表明, 产生辐射剂量差别可以达到80%, 与统计数据相当。

采用激光沉积修复方法对TA15槽损伤试样进行了修复试验, 考察了修复试样的组织和力学特点, 发现激光修复试样组织是由基材的双态组织经由热影响区过渡到修复区的网篮组织。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。分析了修复区和坡面存在熔合不良缺陷的原因, 并给出了纠正措施。修复试样的室温静拉伸结果表明, 试样的抗拉强度接近工业锻件水平, 表明修复区与基材之间形成了致密冶金结合, 但由于修复区粗大柱状晶组织, 试样的冲击韧性比基材稍差。

设计激光投影机光学系统需要从如何减小光学系统的体积和提高激光光源的光效两个方面考虑。研究了激光显示照明系统中的复眼透镜, 并对设计的复眼小透镜矩形单元进行了优化, 发现在复眼透镜整体尺寸和单颗复眼小透镜焦距一定的情况下, 整个复眼透镜上的阵列越多, 即复眼透镜上蜂窝的数量越多, 其匀光效果就越好, 且此时投影机系统的体积也较小。为了提高激光光源的光效, 设计中对复眼透镜在不同数值孔径照明光束下的匀光效果进行了讨论。并对优化设计后的复眼透镜进行40 000条光线追迹, 实验显示其光线透过率可以达到92.5%, 且几乎无杂散光。

采用射频(RF)感应等离子体对颗粒形状不规则的氧化铝粉作球化处理, 当氧化铝以极短暂时间快速穿越射频等离子体炬时, 颗粒因受热而熔化成液滴, 快速冷却, 形成球形固态颗粒。应用单因素法讨论射频等离子体制备球形氧化铝的工艺参数, 研究了制备过程中相关的中气流量、抽风负压、送粉速度和分散方式等主要工艺参数对球形氧化铝粉的影响。用电子扫描显微镜(SEM)观测评估球化效果, 测定松装密度和振实密度。