石墨烯由于其优异的电学性能, 在微波、毫米波、太赫兹波等领域显示出潜在的应用前景。本文设计了毫米波和亚太赫兹波频段的基于石墨烯的相位和幅值波导调制器。该石墨烯调制器可以通过调节石墨烯的表面阻抗来调控电磁波在波导中传播的振幅和相位; 分析了石墨烯片的长度和位置对电磁波在波导中的透射和反射系数的影响, 同时还分析了石墨烯化学势对电磁波在波导中传输和反射的影响。结果表明, 通过调节石墨烯片的长度及其在矩形金属波导中的位置, 可以调控调制器的反射系数、透射系数和透射相位调制范围, 并满足器件级应用需求。

介绍了可调谐半导体激光器吸收光谱(TDLAS)燃烧诊断技术的基本原理及其参量测量原理，分析了基于时分复用、波分复用、单激光器、速度和流量测量以及断层扫描技术的TDLAS燃烧诊断系统的组成特点和关键问题。总结了TDLAS燃烧诊断技术发展历程和最新进展，并对该技术发展趋势进行了展望。

利用可调谐半导体激光器吸收光谱（TDLAS）燃烧诊断技术，开展了吸气式发动机来流热试实验燃气温度、H2O组分浓度和气流速度测量。选用1392 nm和1395 nm分布反馈式（DFB）半导体激光器，构建了交叉光束时分复用（TDM）系统，通过扫描波长方法，交替调制两个激光器以获得燃气双吸收谱线中心（7185.597 cm-1和7168.437 cm-1）附近吸收光谱。根据双线测温原理，通过双线积分吸收率比值推断燃气静温，并由此温度测量值，结合单线积分吸收率计算燃气中H2O组分浓度，此外，根据成70°夹角双激光束吸收中心的多普勒频移量计算气流速度，从而实现了发动机燃气参数的非接触式和实时在线测量。

通过冲击摆实验,测量了激光推力器在不同气体工质(氩气,氦气)、不同工作压力条件下的冲量耦合系数,比较了不同气体对激光推力器冲量耦合系数的影响.实验结果表明:冲量耦合系数随着环境压力的下降而下降,并且下降趋势越来越快;在氩气中测量的冲量耦合系数比氦气的高;实验产生误差的主要因素是摆角的测量误差.

利用高频响应材料PVDF作为敏感元件,建立了一套单脉冲瞬态推力测试系统,并用φ37 mm分离式Hopkinson压杆装置对该测试系统进行动态标定.标定结果显示,在0～150 Mpa范围内,PVDF传感器(5 mm×5 mm)的压电特性呈线性,动态压电系数经线性拟合后为20 pC/N.用所建推力测试系统获得了单脉冲激光作用下,旋转抛物形激光推力器的推力加载曲线,并对该曲线形成多个峰值的原因进行了分析.实验结果表明,该系统可以捕获激光推力器脉冲推力加载特征.

给出了悬摆法测量激光推进冲量耦合系数的原理,分别以空气、氩气、氮气和氦气为推进剂,用悬摆法测量了抛物形推力器在能量不同的单脉冲TEA CO2激光辐照下的冲量耦合系数.实验结果表明:氩气的冲量耦合系数最高,氦气的冲量耦合系数最低;在实验测试的激光能量范围内,4种推进剂气体的激光推进冲量耦合系数基本上都随着激光能量的增加而线性增大,冲量耦合系数的相对误差为5.4%～6.4%.实验结果与国外相关实验结论一致.

喷管是激光推力器的重要组成部分.在设计喷管构形时,可以使其与聚光系统一体化设计,也可以把聚光系统和喷管分离设计.针对聚光系统与喷管分离设计的工作模式,建立了一种辅助聚焦系统的点火模型.通过改变喷管的构形,分析了圆锥形、圆台形喷管的冲量耦合系数与喷管顶部直径与出口直径之比以及喷管长度与出口直径之比之间的关系.通过对推力曲线的分析,阐述了喷管结构参数对其性能影响的原因.研究结果显示,圆台形喷管的推进性能优于圆锥形和圆筒形.

以脉冲式TEA CO2激光器为光源将雾化水滴用作推进剂进行了激光推进实验研究.由力传感器测量得出的推力随时间的变化关系曲线得出了冲量耦合系数的大小.实验发现水工质激光推进冲量耦合系数的大小与雾化水滴的尺寸、速度等性能参数及其分布密切相关,水滴尺寸和速度越小,速度分布范围越集中,冲量耦合系数越大.

结合激光与液体相互作用过程在激光推进领域的应用,讨论了激光与液体相互作用的研究进展.指出了在激光与液体相互作用过程中亟待解决的问题.

在喷管与聚光系统一体化设计时,聚光系统因其同时承担聚光和喷管两项功能而成为激光推力器的重要组成部分。通过改变聚光系统内表面的母线方程,可以改变点火区的大小、形状、点火区与聚光系统内表面的距离及喷管长度等参数,而这些参数都会对激光推力器的推进性能产生影响。针对不同的聚光系统构形建立了相应的点火模型,数值计算与实验结果一致,即当注入能量不超过60 J时,在喷管出口直径相同的条件下,抛物形喷管点聚焦方式比环聚焦方式所获得的冲量耦合系数大,可达38.84×10-5 N·s/J;而冲量耦合系数对点火区与聚光系统内表面的距离及喷管长度等参数并不十分敏感。研究结果对于吸气式激光推力器的喷管构形设计具有指导意义。