光纤激光相干合成技术是实现高功率、高亮度光纤激光系统的重要技术途径.采用主振荡并联放大器(MOPA)方案对三路掺镱光纤放大器进行实时相位探测与校正,其中每路光纤放大器的输出功率大于等于1 W,三路总功率大于等于3 W.采用铌酸锂光纤相位调制器,外差法系统的移频量为40 MHz,相位探测与校正精度优于λ/20,整个光路为全保偏光路.实验分别给出了两路和三路光纤放大器的相干合成结果.系统开环时,远场光斑为动态、模糊干涉条纹,条纹可见度为7%和6%;系统闭环运行时,远场光斑为稳定、高对比度干涉条纹,条纹可见度有大幅度提高,达到44%和48%.这表明闭环控制使两路和三路光纤激光的相位变化得到了有效补偿,系统实现了相位锁定运行和高相干度合成输出.

提出了一种大面积连续波高能激光光束参数的在线测量方法--环形光刀扫描测量法.该方法采用偏心安装的斜面环形光刀高速扫描反射,光电探测器阵列沿反射光圆周均匀布置探测,使得绝大部分被测激光沿原光路传播,只有少量取样光被反射到探测器阵列上.通过对采集得到的探测器响应信号进行空间映射计算和图像复原,得到激光束的光强分布参数.该方法可用于光束直径数百mm的高能激光光束测量,测量空间分辨率约2 mm,时间分辨率为30～50 ms.

利用推导出的1维半空间光致热弹性应力响应的精确解,对激光与材料相互作用的加热模型的选取进行了研究.理论分析和计算结果表明:常用的表面加热模型只有在热穿透深度远大于光吸收长度时有效,若将其应用于超短脉冲激光(ps以下量级)加热的情况,可能会导致较大的误差;皮秒和飞秒激光辐照的热效应须用体加热模型计算.

基于修正Rytov理论,导出了适应于强湍流起伏区的光束漂移方差表达式,分析了湍流外尺度、有效散射区域尺度和光束束腰对光束漂移的影响,并与实验结果进行了比较.结果表明,相对于基于指数模型的光束漂移方差表达式,基于修正Rytov理论给出的表达式的计算结果能更好地与实验结果吻合.当光束束腰大于有效散射区域尺度时,不发生饱和效应,导出的表达式与传统理论给出的表达式一致;当光束束腰小于有效散射区域尺度时,光束漂移的幅度不随Rytov方差的增大而明显变化.

对采用光波波段测量大气湍流强度廓线的湍流廓线激光雷达进行了研究.利用焦点附近的大气瑞利后向散射作为测量信标测量湍流信息,当聚焦高度不同时,可以测得不同高度的整层信息,从而可以得到一系列高度的整层湍流信息,最后通过算法得到分层的大气湍流廓线.介绍了湍流廓线激光雷达系统的组成原理和系统结构,采用像增强器的控制系统使得系统的有效测试距离达到15 km;通过与传统测量方法的对比,得出了可以作为湍流强度廓线测量工具的结论.最后展望了该系统的应用前景.

用自行研制的探空仪测量了近海边高空湍流廓线.探空气球携带微温传感器以4 m·s-1速度上升至20 km测量大气湍流,微温传感器附加在59型气象探空仪上,可同时测量垂直空间分辨率为30 m的气压、温度和湿度以及折射率结构常数.运用Tatarskii公式计算了高空湍流外尺度,分析了边界层湍流和自由大气层湍流特征.与AFGL AMOS模式、Hufnagel模式以及北京天文台兴隆站的探空拟合曲线进行的比较发现,海边测量的高空湍流强度比其它模式大2个量级,折射率结构常数随高度从表面层较大值以近似相同的递减率缓慢地减小,对流层顶附近没有出现较强的湍流区,外尺度测量值小于30 m,并得到外尺度的拟合曲线.

开展了热容模式下激光介质动态光学畸变研究,初步分析了温度梯度、光弹效应及介质端面变形对整个波前畸变带来的影响,并将光学畸变转化为谐振腔损耗,数值模拟了热容激光器输出功率随时间的变化规律,模拟结果表明:当激光器工作温度低于400 K时,由粒子数玻耳兹曼分布引起的功率下降可以忽略,动态热效应是实验中热容激光器输出功率随时间快速下降的原因.

理论分析了激光二极管端面泵浦薄片Nd:YAG 激光器的激光介质热效应对波前相位分布的影响,给出了薄片激光器波前热畸变的计算公式.数值模拟了理想均匀泵浦及4阶超高斯泵浦下的波前分布,分析了介质厚度和泵浦均匀性与波前畸变量的关系.研究表明,介质越薄,激光泵浦光均匀性越好,泵浦功率密度越小,激光波前畸变越小;与介质厚度、泵浦功率密度相比,泵浦光光强分布对波前的影响更为显著.

利用傅里叶光学方法得到了失调拼接光栅压缩池输出光束的远场振幅表达式,建立了分析拼接光栅的各种误差的理论模型,得到了拼接误差对脉冲的影响是附加相位延迟和角度偏转.在要求远场的一倍衍射极限区域的积分能量分布达到理想情况下的90%的条件下,对于含有口径为40 cm、脉宽为0.1～10 ps脉冲的系统进行分析并分别得到了各种误差的容限.

对低信噪比运动背景下序列图像中弱小目标的提取算法进行了研究,提出一种新的目标提取算法.根据运动背景的相关性和目标运动的连续性,采用背景模板匹配技术,计算各帧背景运动量,去除复杂背景,用自适应预估和阈值分割技术捕获跟踪目标.实验中,结合所研究的算法,对100帧包含低对比度弱小目标的运动图像序列进行了处理.实验结果表明,此方法能有效地实现目标的自动捕获与跟踪,跟踪效率高,跟踪稳定.

介绍了实用化宽波段光学镀膜窗口的研制过程,研制的光学窗口实现了从可见至远红外波段使用同一光学器件工作的目标,主要波段透过率在70%以上.该产品膜层均匀性优于95%,可以抵抗潮热、温度变化等恶劣环境,可耐受高功率的红外激光辐射,通过了GJB2485-95<光学膜层通用规范>和Q/AF20087-2003<宽波段军用光学镀膜窗口规范>的标准检测.

从(3+1)维非线性薛定谔方程出发,理论上分析了超短脉冲频谱展宽与自聚焦的影响因素.分析得出:通过改变泵浦光的功率和光束口径,可以实现光谱的极大展宽并避免自聚焦成丝.数值模拟了小口径强泵浦光束在BK7玻璃中的传输过程并进行了实验验证.模拟结果显示在超连续谱产生的同时小尺度调制被完全抑制.实验结果表明:降低泵浦光功率,使光束不会因为全光束自聚焦而发生塌陷,同时还能控制除自聚焦外的其它非线性效应,进而改善近场光束质量.由于自相位调制是超短超强脉冲产生超连续谱的重要机制之一,需要维持传输过程中的泵浦光功率,由此最佳的入射光功率应选在全光束自聚焦功率阈值附近.

采用单辊法制备出纳米晶Cu薄带,利用X射线衍射对纳米晶Cu薄带的结构进行分析,并研究了工艺参数对结构的影响.实验发现:纳米晶Cu薄带的平均晶粒度为65.17～121.8 nm,辊轮转速越快,喷铸压力越小,保护气压越大,保护气体越冷,薄带的晶粒尺寸越小;纳米晶内部均存在晶格畸变和晶胞参数的涨落,说明采用单辊法制备纯金属薄带会在材料内部产生不同程度的晶格扭曲,Cu带处于非稳定状态;所有样品均发生(200) 晶面择优取向,原因可能与单辊法的快淬工艺有关.

为分析冷冻靶丸外部温度场,应用ANSYS软件对ICF空心微球靶的热传递进行了有限元分析.建立了单元传热的几何物理模型,靶丸微球呈空间均匀分布,计算区域由三个同心球壳组成,分别为液体层、靶丸壳层以及氦气层,氦气层厚度为球壳层厚度的7倍.模型左右两边界设为绝热边界条件,采用智能自动划分网格,设定参数为3,单元类型为三角形.模拟表明,在靶丸工作温度为24 K的情况下,为保持靶丸气泡受力平衡,自洽得到靶丸内部温度梯度为14.02 K/cm,以此求解出所施加的外部温度场为7.758 K/cm.将计算值与现有的实验结果进行了比较,模拟结果与国外实验值(8.2 K/cm)吻合得较好.

在碱性条件下通过TEOS和MTES的共水解缩聚反应制备了单甲基原位改性的SiO2溶胶,并使用提拉法在K9玻璃基片上镀制了疏水减反膜.通过透射电镜(TEM)考察了镀膜溶胶的微结构,分别使用红外光谱(FTIR)分析了薄膜的组分,用原子力显微镜(AFM)观察了薄膜的表面形貌和起伏状况,用紫外可见光谱(UV-vis)考察了薄膜的减反射性能,用接触角仪测量了薄膜对水的接触角.并使用"R-on-1"的方式测量了薄膜在Nd:YAG激光(1
064 nm,1 ns)作用下的损伤阈值.结果表明,通过共水解缩聚反应可以把甲基引入镀膜溶胶簇团中,改善了溶胶簇团的网络结构,使薄膜得到相当好的疏水性能和更好的抗激光损伤性能,同时薄膜能保持较好的减反射性能.

针对脉冲宽度约1 ns、波长为351 nm的三倍频紫外激光,定量分析了熔石英介质中的自聚焦长度、峰值光强与强紫外激光光束质量及环境条件等因素的关系,研究了产生紫外光非线性自聚焦效应的阈值条件.研究结果表明:在强紫外激光光束质量一定的前提下,可将B积分值定义为自聚焦的阈值条件;入射强紫外激光光束质量越差,在熔石英介质中产生自聚焦的阈值条件越低;即使对于空间分布均匀的理想光束,当空气中存在灰尘时,经过一段距离的传输后,在熔石英介质中将导致强紫外激光自聚焦效应的产生,且灰尘尺寸较大时的自聚焦效应较明显,自聚焦的阈值条件也相对较低.

采用在圆柱坐标系中分离变量的方法,推出填充多层互易手征介质的金属同轴线各层电磁场之间的关系,得到其模式特征方程和圆波导模式特征方程,给出了填充两层手征介质金属同轴线部分模式的色散特性的数值计算结果,分析了手征介质参量及两层手征介质厚度变化等对手征同轴线传播特性的影响.如果互易手征介质的手征参数等于零,可得填充普通介质的同轴线的模式特征方程.与填充普通介质的同轴线中的模式相比,手征同轴线中的模式发生了分叉.当同轴线中所填介质的折射率增大时,其模式归一化截止频率和进行基模单模传输的带宽归一化频率都将减小.

在电子通道内引入一薄层空心电子注,对沟道梯型慢波结构行波管进行了线性理论研究,推导出了沟道梯型结构行波管的工作色散方程,计算了沟道梯型行波管的小信号增益和工作相速.计算结果表明:沟道梯型结构行波管每周期的增益高,带宽窄;当沟宽度由零增加到环内径的2倍时,增益减小量不足1%,这表明沟宽度对增益的影响不大;当脊高度增大10%时,增益增加62%,当环内径增大10%,增益减小57%,因此增益与脊高度正相关,与环内径负相关,且相关性十分明显.

设计、建造了一台不对称结构、分布式负载有界波电磁脉冲(EMP)模拟器(MDES-60).模拟器平行极板间区域长5 m,宽2 m,高1 m.测试结果显示模拟器工作空间电场幅值分布均匀、波形后沿基本无反射.表明通过缩小前过渡段的锥角、加宽下极板调整特性阻抗及采用分布式负载等措施取得了很好效果.配套不同的脉冲源,该模拟器可模拟IEC61000-2-9、Bell实验室、1976年出版物等多种脉宽标准的EMP波形,场强幅度范围15～60 kV/m,可用于短线缆响应实验或小型电子设备的考核效应实验.

高功率微波在电离层中的传播特性主要由其折射率的变化决定,而高功率微波的大气折射率与相应传输层面的电子浓度有关.结合电离层电子浓度分布模型对电子浓度和大气折射率进行了数值模拟,对电离层折射率以及折射率垂直梯度相对于高度的变化特性进行了分析.结合射线描迹法对高功率微波波束传播高度、仰角和距离进行了修正,并在低功率微波下进行实验验证,证实修正值更接近实际值.

介绍了S波段强流相对论速调管放大器(RKA)同轴输出腔内束波转换效率和腔主要参数的计算、微波提取的粒子模拟和优化以及实验.模拟计算时,采用单间隙的同轴输出腔,束压580 kV、束流4 kA的环行电子束,基波调制深度为80%,利用3维粒子程序得到约500 MW的微波输出功率,效率21.5%.将该模拟结果应用于实验的设计,实验中采用束压550 kV、束流4 kA的电子束得到功率500 MW、脉宽120 ns的输出微波,束波转换效率22.7%,实验结果与模拟结果吻合较好.

BEPCII改进工程需要更高流强的电子枪.新电子枪系统的物理设计、机械设计、控制系统设计等均进行了描述.电子枪的设计发射电流在脉宽为1 ns时大于10 A,重复频率50 Hz.将会采用脉冲电源来为电子枪提供最高200 kV的脉冲高压.在设计阶段,电子枪的几何结构和束流传输过程利用计算机模拟进行了优化.EGUN和DGUN的计算结果表明导流系数为0.22 μA·V-3/2,电子枪出口的发射度为16 π·mm·mrad.PARMELA的模拟结果表明束流能顺利地传输至第一根加速管末端,捕获效率为67%,出口的均方根发射度为25 mm·mrad.基于EPICS平台的电子枪控制系统设计也已完成,提供了全新的双脉冲运行模式和2.5 μs长脉冲运行模式.

描述了利用轨道响应矩阵拟合技术标定合肥光源储存环聚焦模型的过程及实验结果.通过响应矩阵分析,得到了合肥光源储存环弯铁边缘聚焦强度约为0.1 mrad/A,场积分为0.62～0.63,考虑了四极铁聚焦强度的修正系数的影响,发现了原四极铁磁测数据中较大的系统偏差,分析结果和备用磁铁的磁场测量数据吻合良好.在此基础上建立的合肥光源储存环理论模型可以准确地描述实际储存环线性光学特性.

应用狭缝光阑成像法测量X射线斑点大小,通过狭缝成像获得光源的线扩展函数和调制传递函数MTF,而后从MTF为0.5所对应的空间频率之值确定出光源的光斑大小.应用该方法测量得到12 MeV 直线感应加速器(LIA)X射线斑点大小为3.2 mm,及磁透镜在不同焦距下的X射线斑点大小.该项测量为12 MeV LIA电子束聚焦调试实验提供有效判据.

介绍了兰州重力加速器冷却储存环实验环二极磁铁积分长线圈测磁装置的构成,描述了实验环二极铁的分散性测量、横向分布测量、传递函数等测量内容及测量方法.实验环二极铁采用不断地加减硅钢铁片垫补和加调整线圈电流的方法来调整二极磁铁的有效长度来改变分散性.通过垫补和测量,二极磁铁的分散性在优化磁场时达到±2×10-4.同时给出了二极铁的横向分布和传递函数的测量结果.对二极铁的设计和加工进行了修正.

由于金属微凸起爆炸电子发射的预发射电流密度一般都超过108 A/cm2,因此必须考虑其空间电荷效应的影响.基于金属微凸起爆炸电子发射起始过程模型,通过理论分析和数值模拟,给出了考虑预发射电流空间电荷效应的微凸起爆炸发射延迟时间随二极管平均电场的变化关系.与不考虑预发射电流空间电荷效应的结果进行对比表明,预发射电流的空间电荷效应可以显著增加金属微凸起的爆炸发射延迟时间.

从亥姆霍兹方程出发,得到了各向异性光波导在弱导近似下的耦合模理论.耦合系数包括偏振耦合项和双折射耦合项.并用马卡提里近似下的模式作为零级近似.用一级微扰法计算了折射率渐变分布的钛扩散铌酸锂矩形波导的传播常数.在给定参数的情况下,得到双折射项引起的传播常数的改变约为主微扰项的3%,因此双折射耦合对钛扩散铌酸锂矩形波导的性能影响不可忽略,这对设计和分析与它相关的光波导器件具有指导意义.

根据氢气放电源、X光机X射线源和TiT源打"新靶"和"旧靶"的对比实验结果,证明了在氢气放电过程中产生了一种未知粒子,新谱线正是射线源轰击这种储存在"旧靶"中的未知粒子产生的.以此为依据得到如下推论:探测到的新谱线反映了未知粒子的能级特性,是未知粒子的能级谱线,所以这些新谱线是未知粒子存在的标志.

研究了超声清洗和激光预处理两种后处理手段对减反膜的损伤特性的影响.采用电子束蒸发技术制备了1 064 nm减反膜,利用超声清洗及激光预处理的方法分别对样品进行处理,并对处理前后的样品分别进行激光损伤阈值测试及破斑深度测量.结果表明:处理后减反膜的损伤阈值均有所提升,但激光预处理的阈值增强效果更加明显;超声清洗前后的破斑深度没有大的变化,而激光预处理后的破斑深度比处理前浅得多;原因在于超声清洗只能去除表面杂质,激光预处理可减少和抑制膜层内较深处的缺陷.

指出了景深、可见光衍射、辐射输运是CCD图像接收系统模糊效应的3个影响因素.用MCNP方法研究了转换屏内的辐射输运,给出了不同入射光子能谱和转换屏厚度下转换屏内能量沉积随半径的变化关系.结果表明:能量沉积随转换屏厚度的增加而线性增加;辐射输运引起的模糊与光子能谱有关,但硬化谱引起的模糊随转换屏厚度的变化小于非硬化谱;转换屏内的辐射输运是CCD图像接收系统模糊效应的主要影响因素;辐射输运引起的模糊和高斯模糊是不同的.

电子束在烟气中穿透深度和剂量分布将直接影响废气中硫、氮氧化物的脱除效率.通过理论计算和蒙特卡罗模拟计算得到不同能量电子穿过各种厚度加速器箔窗后能量损失情况;对不同入射能量电子束在烟气中透射深度和轨迹分布进行了模拟计算.结果表明:电子束反应最佳能量为700 keV;利用产生1 m长线状束流的电子加速器进行双面照射,烟道反应室横截面最佳尺寸为1.0 m×3.5 m.

利用Monte Carlo(MC)模拟技术解释实验中心线灰度曲线的各部分波形.结果发现,系统中的散射照射量、光源的尺寸和H-D特征曲线的形状对实验灰度曲线的各部分波形均有影响:散射量越大,中心信号幅度越低;H-D曲线趾部的非线性越严重,中心信号幅度也越低;光源尺寸造成图像越模糊.指出了用实验波形可以半定量确定系统散射程度和光源尺寸.在测量照射量时,应该尽可能避免散射的干扰,用台阶法测量H-D曲线时,应使台阶远离剂量片而前移.

用高温熔融法制备了Nd3+(物质的量分数2%)掺杂40B2O3-(15-χ)Nb2O5-45BaO-χLa2O3玻璃,测量了样品的吸收光谱、发射光谱和差热分析(DTA)曲线.根据Nd3+光学跃起矩阵的特点,应用Judd-Ofelt理论,从吸收光谱获得了Nd3+光学跃起的强度参数.并计算了Nd3+离子的自发辐射跃迁几率、总自发辐射几率、荧光分支比、辐射能级寿命和受激发射截面.结果表明:该体系玻璃中,随着Nb2O5 含量的增加和La2O3含量的减少,强度参数Ω2增大,说明材料的对称性降低;而Ω6减小,说明Nd-O键的共价性和键强增强;受激发射截面减小.DTA实验表明,随着Nb2O5含量的增加,材料的热稳定性提高.

对高功率带绕式脉冲变压器磁芯的设计进行了初步考虑,从理论上分析了在高功率带绕式空芯脉冲变压器中加入部分磁芯对变压器内部电磁场分布及耦合系数的影响.理论分析和实验结果均表明:磁芯对高功率带绕式脉冲变压器耦合系数的提高有显著作用,并能改善变压器内部的电磁场分布;设计的高功率带绕式脉冲变压器耦合系数可达0.88,与相同结构尺寸的带绕式空芯脉冲变压器相比,耦合系数提高10%.

爆磁压缩发生器常用来驱动脉冲调制器,在二极管上产生高功率短脉冲.进行了两个100 kA动态级联型爆磁压缩发生器延时驱动一台由脉冲变压器和脉冲形成线构成的脉冲调制器的实验.两个爆磁压缩发生器由延时起爆器延时20 ms起爆并用熔断丝进行相互电隔离,在负载二极管上产生了间隔约20 ms、功率大于20 GW的两个脉冲.实验表明:用更多的爆磁压缩发生器驱动单台脉冲功率调制器产生多脉冲的方案是可行的,该方法可用于大功率重频加速器中脉冲功率器件的电恢复性能测试.

研究了LaB6在1～10 Pa氮气和氦气中的直流和脉冲放电特性以及放电过程对电极的影响.结果表明,电极直径为5 mm的LaB6氦气放电管在脉冲工作状态下可以长期稳定放电.在脉冲电压为2.2 kV、脉冲宽度10 μs、频率13.3 Hz下,脉冲峰值放电电流超过120 A.氦气放电管在放电过程中,阴极表面有离子的清洗和活化作用,可以使电极的表面逸出功降低,提高放电管的发射能力和稳定性.LaB6作为气体放电电极具有寿命长、延迟时间短、放电电流大等优点,可用于重复强流脉冲气体放电的高压高速开关器件.

介绍了直线型变压器驱动源(LTD)产生快脉冲的基本原理及技术优势,阐述了快脉冲LTD模块设计的要点,设计了输出脉冲上升时间小于100 ns的快脉冲LTD模块,并进行了初步的实验研究.实验得到该LTD模块充电±16 kV时,短路放电的电流峰值为23.7 kA,电流振荡1/4周期为69.6 ns;充电±50 kV驱动0.85 Ω负载时,电流峰值为41.4 kA,上升时间为36.8 ns(10%～90%)和60.8 ns(0～100%).

主要研究了高储能密度多层陶瓷电容器(MLC)在不同充放电频率、充电电压、充放电占空比和放电反峰系数等条件下的寿命特性,并对其失效机理进行分析.实验发现,正常情况下MLC试品的击穿需要经过局部放电通道不断发展,绝缘逐渐被破坏的过程,寿命较长,发热和试品内部的交变应力是推动局部放电通道不断发展的根本因素.充放电频率的升高使试品发热加剧,寿命缩短;充电电压和放电反峰系数的增大使发热和介质内应力加剧,可以使寿命缩短90%以上.改善散热可以有效提高试品寿命,如当充放电频率为136 Hz时,采用油浸散热比空气自然换流散热寿命延长300%.

为给冲击雷达提供理想的发射源,利用功率合成技术,将多个数kV,ns级的固态脉冲源合成为MW量级的高功率脉冲源;为研究冲击雷达目标特性,设计了一套由功率合成的全固态脉冲发射机、超宽带平面TEM喇叭发射天线阵、超宽带开槽接收天线阵、正交解调采样接收机、主控计算机组成的冲击体制雷达目标探测系统;采用增大收发天线、目标与地面的距离以及在目标回波中加时间窗的方法,成功探测到2 km处在光学区RCS为0.01 m2的目标;采用16个发射单元的目标回波信号比采用8个发射单元时明显,这表明功率合成在采用较多发射单元时效果更为明显.