为研究飞秒激光加工硬脆透明材料时存在的“微裂纹”与“诱导条纹”等共性工艺问题，利用飞秒时间分辨泵浦探测阴影成像技术，对飞秒激光多脉冲烧蚀石英玻璃过程中的电子动力学过程进行成像，分析了激光脉冲电离材料初期（700 fs之前）等离子体丝的演化情况。多脉冲诱导微结构的存在使成丝区域分布在微结构的两侧与光脉冲传播的轴线方向，前者主要是由微结构侧壁对光脉冲的折射造成的，而后者则是由微结构底面与侧壁形貌不同导致的光程差引起的。实验结果揭示了多脉冲加工过程中脉冲串诱导微结构对后续光场的重塑效应，该效应影响了等离子体成丝区域与能量沉积的分布，这是共性工艺问题产生的核心机制。

围绕小型条纹变像管, 数值研究了光电阴极发射的光电子的初始能量及球面阴极曲率半径对物理时间分辨率及时间畸变的影响.结果表明：物理时间分辨率受光电子初始能量影响较大, 受阴极曲率半径及离轴距离影响较小; 离轴距离越大, 时间畸变越大; 平面型光电阴极在离轴8 mm的物点处, 时间畸变大于40 ps; 随着阴极曲率半径的减小, 时间畸变逐渐由正值变为负值; 当阴极曲率半径为70 mm时, 条纹管在整个阴极工作狭缝16 mm内的时间畸变小于8 ps; 同时, 在4.3 ns全屏扫描时间条件下, 光电阴极发射的狭缝像在荧光屏上几乎没有弯曲, 且即使在离轴8 mm的物点处, 光电阴极空间分辨率仍可高达25 lp/mm @ MTF=10%. 此外, 实验测试了条纹变像管的静态空间分辨率、阴极积分灵敏度及条纹变像管的亮度增益特性.测试结果显示：光电阴极中心处空间分辨率高于28 lp/mm, 边缘处高于18 lp/mm; 阴极灵敏度为178 μA/lm, 亮度增益高于12, 远高于具有相同探测面积的皮秒条纹变像管的亮度增益(亮度增益仅为0.5), 在条纹管激光雷达领域具有较强的弱信号探测能力.

建立了各向异性聚焦大动态条纹变像管电子光学模型, 通过求解整个系统的电场分布对可能的高压打火点进行了分析, 研究了电四极透镜对条纹管放大倍率以及静态和动态像质的影响, 并计算了该管型的时间畸变.结果表明, 在20 mm长狭缝的情况下, 时间畸变为15 ps, 在这15 ps内, 偏转器所施加的扫描电压的变化范围仅为3.06 V, 因此由时间畸变导致狭缝像弯曲的现象几乎可以忽略.实验测试得该条纹相机的时间分辨可达1.8 ps, 在时间分辨为8 ps时, 动态范围超过1 000∶1.

基于微处理器并结合模拟延迟电路以及数字逻辑电路, 设计了分辨率可达5 ns、最小脉宽为65 ns、频率高达1 MHz、且通过上位机可以远程控制的选通脉冲源.用该脉冲源结合选通电源测试了阴极上镀有金属导电基底和没有金属导电基底的ICCD的选通快门时间.结果表明当镀有金属基底时, ICCD具有更短的开启时间.建立相应的等效电路模型和阴极开关过程满足的RC等效方程, 定性分析得出阴极面电阻的减小是使得ICCD开启时间缩短的主要因素.

为满足条纹相机便携化、智能化的发展需要, 研制了一种高适用性的分布式智能控制系统, 实现了对条纹相机工作参量的监测, 对电极电压、扫描工作模式的精确控制以及对图像的采集与处理.基于物联网技术框架与客户端-服务器的结构模式, 实现了有线及无线设备扩展的多机协作功能与移动监控功能.并针对该控制系统, 设计了具有自保护功能的自激型反激式可调高压电源模块, 基于自激式拓扑的简单结构, 实现了电源的小型化, 且线性调整准确度可达1%.采用Nd∶YLF脉冲激光器(脉宽8 ps, 波长526.5 nm)对应用该控制系统的可见光皮秒条纹相机进行标定, 测试得到动态分辨率为12.75 Lp/mm(CTF=14%), 动态范围为234∶1, 时间分辨率达到14 ps.

针对高时空分辨的设计要求，分析影响条纹相机中条纹变像管的物理时间弥散、技术时间弥散和扫描电路触发晃动的因素，优化设计了行波偏转前置磁透镜聚焦的条纹变像管系统.利用CST仿真软件研究了行波偏转器内部的时变电磁场分布，计算了行波偏转器内电磁波的传播速度.结果表明，行波偏转器的指长为8 mm、指宽为1 mm、指间距为0.24 mm、管脚长为2.5 mm、板厚为1 mm及总长度为17.12 mm时，实现了电子团的飞行速度与扫描电脉冲沿行波偏转器的传输速度的匹配.采用电子追迹法和瑞利判据分析了条纹变像管的动态时间和空间特性，得到单次扫描动态时间分辨率为200 fs、同步扫描时间分辨率为208 fs、动态空间分辨率优于20 lp/mm.

研制了一种短余辉、高分辨率、快时间响应的高速选通超二代像增强器,通过光纤锥与CCD进行耦合成高性能距离选通ICCD,理论分析各部件的性能及其对系统空间分辨率的影响;采用FPGA设计电路控制系统,该系统产生出纳秒级的选通门宽以实现对ICCD的数字控制,同时可以对选通脉冲宽度和延时时间进行调整以实现不同亮度以及距离目标的清晰成像,降低背景噪音以及增大成像的动态范围.此外,该系统具有增益监控和调节功能,信噪比达到20∶1 dB,在超二代像增强器阴极和微通道板输入面之间加幅度为－200 V、宽度为3 ns直流连续可调的选通脉冲以实现对增强器的选通,为了提高光电阴极补充电子的速度,在输入窗内表面光刻有线宽为5 μm、间距为50 μm正方形格栅以保证选通门宽为3 ns时光电阴极有足够快的响应速度,选通频率最高可达到300 kHz,实验测试在微通道板电压为700 V、荧光屏电压为5 000 V时增强器增益可达10 718 cd/m2 lx,ICCD系统空间分辨率达到29.7 lp/mm.

为了减小阿秒脉冲聚焦反射过程的能量损失、降低阿秒脉冲测量过程中由聚焦像差引起的测量误差以及提高阿秒光脉冲光谱分析监测的可操作性, 采用各环节性能分别优化的方法, 设计了一种高能阿秒光脉冲聚焦及光谱分析复合系统, 聚焦及光谱分析元件分别采用镀金掠入射型超环面镜和掠入射型凹面聚焦光栅, 并给出了其具体结构和特性参量。结果表明, 此系统适用于以短脉宽、高能量阿秒脉冲为新型探针的阿秒光谱学研究。

设计了一款长度为265 mm的飞秒条纹管。采用短磁聚焦透镜和行波偏转板，并将行波偏转板置于磁透镜之前以提高偏转灵敏度。采用蒙特卡罗方法对阴极表面理想点和阴极狭缝发射的光电子初始参量进行了模拟抽样，用CST软件的Particle Tracking模块模拟跟踪了光电子的运行轨迹，统计分析了光电子在最佳像面上的位置分布和渡越时间，给出了光电子在最佳像面上的点扩展函数和调制传递函数。计算结果显示，所设计的条纹管阴极有效尺寸达到6 mm，放大率为2.4~2.5，动态空间分辨力大于55 lp/mm。经保守估算，条纹管的时间分辨力有望达到245 fs。