研究潜艇热尾流的浮升扩散规律和水面红外特征对红外探潜具有重要意义。以潜艇缩比模型为研究对象, 建立了潜艇热尾流三维计算模型。分别使用重叠网格、VOF(Volume of Fluid)模型方法和来流法, 对潜艇热尾流的浮升扩散过程进行了数值模拟。分析了潜艇热尾流的浮升扩散规律和温度场特征。使用实验测得的水面红外热像图和热尾流浮升扩散图像对两种仿真方法的精度进行了对比验证。结果表明: 基于重叠网格和VOF模型的数值模拟方法精度较高, 模拟得到的热尾流最大温度出现时间相差0.2 s, 温度偏差为0.003 K, 能够很好地模拟潜艇热尾流的浮升扩散和温度分布特性。

红外发射率的准确计算是舰船湍流尾迹红外仿真与特性分析的基础。文中以湍流尾迹对Cox-Munk海面坡度概率密度分布的调制模型为基础, 结合海面双向反射分布函数, 研究了典型环境下舰船湍流尾迹海面红外发射率的计算方法; 研究了机载小天顶角、船载大天顶角观测时, 舰船湍流尾迹长波8~9 μm红外发射率的分布规律, 得到了湍流尾迹与海面背景发射率的差别随观测天顶角的增大而增大的结论; 仿真计算得到了秋季阴天船载式探测条件下, 典型舰船湍流尾迹的红外辐射亮度, 并与海上试验数据进行了对比, 结果表明湍流尾迹的自发辐射亮度低于海面背景, 表现为"冷尾迹"的特征。

介绍了常规测温方法和三波段海面红外热成像测温方法的原理,采用这两种方法分别求解海面温度,对比分析了在不同观测方向和红外热像仪精度下两种方法的精度。结果表明:三波段海面红外热成像测温方法能消除海面发射率误差对精度的影响。当红外热像仪精度为±0.25 K时,测得海面温度的偏差基本小于0.5 K,精度较高。提高红外热像仪精度可有效提高三波段海面红外热成像测温方法的精度。当观测方向天顶角为70°~85°时,常规测温方法测得的海面温度偏差远高于三波段海面红外热成像测温方法,此时必须采用三波段海面红外热成像测温方法。

为消除微通道板光子计数探测器系统中电子噪声的干扰，研究了探测器分割噪声的来源，并提出利用COMSOL软件仿真计算分割噪声的方法.利用有限元方法对基于Vernier阳极探测器的成像过程进行三维建模，实现了一组5×5针孔阵列的模拟成像，计算出Vernier阳极分割噪声所产生的电子云质心位置的偏移量，验证了Vernier阳极探测器成像编码的正确性与仿真研究分割噪声的可行性.通过分析不同参量的阳极面板，利用数值拟合方法，得到电子云质心偏移量与阳极面板设计参量之间的关系.在固定面板参量的前提下，可以通过提高微通道板增益来有效降低分割噪声对质心位置偏移影响.

采用重复频率100 kHz下，输出功率为3.7 W的532 nm Nd:YAG皮秒激光器对石英衬底微米量级的铝膜进行了烧蚀，研究了脉宽为10 ps的激光单脉冲能量密度对烧蚀效率、光斑耦合率对烧蚀图形以及重复加工次数对加工精度的影响。单脉冲激光烧蚀实验证实，皮秒激光烧蚀铝膜可分为高能量密度烧蚀与低能量密度烧蚀两个区域。光斑耦合率对烧蚀深度影响较大，不易从理论角度控制烧蚀效率。为提高加工精度与验证求解烧蚀率的准确性，提出重复多次加工的方法。对比了高斯线性法与高斯线性修正法的求解烧蚀率的结果，证明了高斯线性修正法在扫描激光精细加工方面的优越性。利用高斯线性修正法求得的烧蚀效率，模拟了激光在不同光斑耦合率下烧蚀微槽的三维轮廓图。

为研究短脉冲激光辐照硅膜表面后的能量传输过程, 基于双温方程的计算方法以及自由电子气理论, 建立了求解能量传输方程的二维有限元模型.针对红外以及可见光波段的激光, 通过限制硅膜的大小, 有效地控制了计算的精度, 并得到电子温度与热流的时间以及空间分布.计算结果表明, 激光诱导产生的等离子体密度极大地影响了硅膜表面的反射率及光吸收系数; 通过分析电子热流密度随时间的变化曲线, 得到硅膜内部能量的传输过程; 在激光作用过程中, 硅膜内部晶格温度始终保持在熔点以下, 证明了等离子体密度是激光烧蚀硅膜的主导因素; 预测了激光烧蚀的图形, 并分析了不同波长的激光烧蚀图形与高斯曲线的关系.

为研究Al膜受短脉冲激光作用时的能量传输过程, 建立了一维半经典双温热传导模型。根据材料加工过程的熔化现象, 对模型的相变区域进行有效设置。通过有限元法求解, 得到晶格温度随时间分布的规律。根据自由电子气理论优化了模型, 得到Al膜表面反射率和热吸收系数随时间的分布图。得到了激光辐照所产生热电场的分布规律, 并分析了电子温度梯度对其影响。描绘出电子漂移运动速度的分布规律, 证实激光作用产生的热电场是电子漂移运动的主导因素, 发现最大漂移速度位置随时间的延长而加深。对激光作用后的晶格温度进行了区域性分析, 定义了过热加热区, 并得到激光烧蚀深度随时间的变化关系。实验结果表明, 不同功率皮秒激光烧蚀Al膜的深度接近于理论计算结果。

极紫外光刻(EUVL)是最有可能实现22 nm技术节点的下一代光刻技术。极紫外(EUV)光刻系统使用波长为13.5 nm，在此波段下曝光设备只能采用全反射式系统。然而，在极紫外光辐照下的光学元件，薄膜表层的碳化和氧化是导致EUV反射膜反射率下降的两种主要机制。结合EUV光学器件的表面分子动力学理论，研究碳沉积层的作用机理，以便找到抑制污染沉积的有效方法。通过针对碳污染层模型的计算研究，验证了模型和假设的有效性，从侧面证明了Boller等的“二次电子诱导分解是主要沉积过程”理论。通过迭代法模拟了控制污染的几个关键参数对沉积层的影响，得到50~80 nm的非工作波段产生的碳沉积最为严重的计算结果。

为研究双温方程中电子热传导项和电子与晶格耦合项对激光辐照物体表面温度场求解的影响, 对这两项施加了约束条件。由于飞秒和亚皮秒激光与物质相互作用时间短, 电子与晶格来不及耦合, 所以对耦合项施加时间约束; 根据相分离条件(CPPS), 对热传导项施加空间约束。利用有限元方法建立了激光烧蚀金属铜膜表面的有限元模型。通过分析双温方程中热传导项和耦合项对计算结果的影响, 发现短脉冲激光与铜金属相互作用过程中电子与晶格耦合项可以忽略, 而传导项不可忽略。求解适当激光功率下的双温方程, 得到了激光作用中心电子与晶格在不同脉冲宽度激光辐照下的温度变化关系。根据100 fs激光作用后晶格温度场的空间分布情况, 研究了激光作用的相分离区域、相爆炸区域以及熔融区域的分布情况。