设计了一种X波段过模高效率相对论返波管（RBWO），主要结构包括双谐振腔反射器、7周期梯形慢波结构与提取腔。该器件慢波结构的过模比为2.6，电子束与结构波TM01模的近π模相互作用，在慢波结构区域束波作用产生的TM01模表面波主要转化为TM02模的体波，其输出微波的模式主要为TM02模，占比为81%，其余为TM01模。提出一种过模条件下谐振腔反射器的设计思路，结合模式匹配法，优化得到了一种双谐振腔反射器结构，其对TM01模与TM02模的反射系数均大于0.99，可实现过模条件下RBWO慢波结构与二极管区的良好隔离；同时双谐振腔反射器两个谐振腔中的纵向电场可以对电子束进行充分的预调制，将促进慢波结构区域的束波作用，有利于提升效率。通过在慢波结构后端加入提取腔，进一步提升了转换效率。PIC仿真中,在二极管电压900 kV，电流14.3 kA，得到了6.6 GW的输出功率，转换效率约51%。

设计了一个过模太赫兹返波管振荡器, 通过对慢波结构的精心设计, 使电子束动能得到充分提取, 实现器件的大功率及高效率运行。在电子能量和束流分别为280 keV和320 A的条件下, 当引导磁场强度为3 T时, 采用2.5维Particle in Cell (PIC)程序模拟得到频率为121.8 GHz、功率为13 MW的太赫兹波输出, 器件的束波转换效率约为14.5%。

研制了一台高重复频率电光调Q单纵模主振荡激光器。利用高速电子电路负反馈控制系统，在激光器谐振腔内引入一个随光强动态变化的损耗，建立了准连续的预激光状态，在此基础上进行电光调Q，加上谐振反射器的纵模选择作用，最终实现了稳定的单纵模输出。激光重复频率为1 kHz，脉冲宽度为15 ns，最高脉冲能量为2 mJ，在30 min时间内，单纵模几率达100%。激光器结构紧凑，系统简单可靠，已成功应用于激光振荡-放大系统的振荡器中。

在需要利用光的相干性的场合,如倍频、光参量振荡、全息以及光束的相干合成等对激光器输出的线宽有严格的要求,这时就需要对纵模进行选择。介绍一种小型化单横模单纵模激光二极管泵浦Nd∶YAG激光器,单脉冲能量3.6 mJ,重复频率200 Hz,脉冲宽度16 ns,单横模、单纵模运转。该激光器采用谐振反射器和腔内倾斜标准具对纵模进行选择,试验结果与理论计算比较吻合。该激光器可用作窄脉宽高能激光器的种子源。

提出了一种能在X波段实现稳定双频输出的带有谐振反射器的高效率同轴相对论返波振荡器，并使用2.5维全电磁粒子PIC模拟软件进行了粒子模拟研究。模拟结果显示：在电子束电压520 kV、电流8.5 kA、轴向引导磁场2.35 T的条件下，器件实现了9.41 GHz和10.29 GHz的稳定双频输出，平均输出功率为1.35 GW，波束互作用效率为30.5%。此外，双频频谱及双频中较小的频率随着漂移段的变化而准周期地变化，实现了带宽约400 MHz的频率捷变输出。

对相对论返波管实验中射频击穿现象进行了分析和数值模拟研究，发现谐振反射器和慢波结构的局部场增强诱导了场致电子发射，引起了金属表面的射频击穿，通过研究分析，提出采用分布反馈式谐振反射器，并采用梯形倒角非均匀慢波结构替换正弦慢波结构的方法来抑制射频击穿。数值模拟研究表明，在微波功率2 GW时，改进后的反射器最大场强由1.4 MV/cm降低为570 kV/cm，慢波结构表面最大电场由1.1 MV/cm降低到780 kV/cm。改进后的结构在二极管电压765 kV时获得了微波功率2.2 GW、脉宽45 ns的实验结果，微波功率和脉宽得到显著提升。

设计了一种带有反射腔的能在X波段实现稳定双频输出的圆柱结构相对论返波管, 采用2.5维相对论全电磁PIC粒子模拟软件行粒子模拟研究。仿真结果表明:在输入电压433 kV、引导磁场2.2 T的条件下, 实现了9.53, 10.09 GHz的双频稳定输出, 平均输出功率340 MW, 平均功率效率24.1%。

基于TPG2000强流电子束加速器和带谐振反射器的相对论返波管振荡器,开展了X波段高功率微波产生实验研究,获得了功率约2.5 GW,脉宽约20 ns的微波输出。理论分析及模拟了不同倒角大小对谐振反射器的表面电场及截止性能的影响,并对不同倒角开展了实验研究。结果表明,对谐振反射器倒角可增加输出微波脉冲宽度,且随着倒角增加,微波脉宽增加,效率略有降低。在谐振反射器倒角5 mm情况下,利用电压900 kV,电流9 kA的强流电子束,实验获得了功率约2.5 GW、脉宽大于25 ns的微波输出。

提出了一种采用单电子束实现C波段和X波段微波同时输出的新型相对论返波振荡器,该器件的束波作用区为中间用渐变段隔开的两段盘荷结构。使用Karat软件进行了2.5维全电磁粒子数值模拟,在工作电压为1 MV,电流为8 kA,导引磁场为3 T的条件下,输出微波功率大于1 GW,功率效率约为15%,输出的微波频率分别为5.42 GHz和9.58 GHz,二者频谱幅度相差2.17 dB,模式为TEM模。

阐述了带有反射腔的相对论返波管的数值模拟研究.利用线性理论[1]设计了返波管的慢波结构,应用SUPERFISH软件设计了谐振反射器.用KARAT软件对谐振反射腔返波管进行了宏观粒子模拟,得到了优化的返波管结构参数,并研究了外加磁场对输出效率的影响.模拟结果表明:谐振反射腔不仅起到截止颈的作用,还有预调制的作用;在低外加磁场条件下,该返波管也能输出较高功率的微波.显示了其在重复频率工作方面的重要意义.