研究了化学膜/熔石英基片体系(膜层镀于熔石英基片上)的激光损伤。化学膜为纯洁的溶胶-凝胶二氧化硅增透膜,测量阈值的激光器输出波长为355 nm,脉宽为6.3 ns。结果表明体系的激光损伤阈值与基片的阈值相当且随其提高而提高。当基片的阈值为4.8 J·cm-2时,镀膜后阈值为4.9 J·cm-2;用激光预处理提高基片的阈值到7.2 J·cm-2,镀膜后阈值提高到7.3 J·cm-2。采用动态比较法研究表明:激光作用于化学膜/熔石英基片体系,基片先损伤,后引起膜层损伤。

研制了一台高效率全固态平均功率7.13 W的1319 nm宏微脉冲激光器。激光器采用热稳Z形折叠腔,增益模块采用自行研制的准连续15个二极管芯片环形泵浦的Nd:YAG模块,采用主动声光锁模器作为锁模元件,并在腔内插入倍频KTP晶体对激光器的输出尖峰进行抑制。为了获得稳定的锁模状态,对激光器腔长进行了精确设计和调节。当激光器腔长与锁模器驱动频率匹配时,获取了宏脉冲重复频率400 Hz、脉宽约190 μs,微脉冲重复频率95.6 MHz、脉宽小于1.0 ns的1 319 nm激光脉冲。

利用多抖动法对强泵浦条件下光纤放大器引入的相位噪声进行了测量。利用功率谱、积分谱对具体泵浦条件下的相位噪声特性进行定性分析,结果表明,泵浦功率越大,高频成分占的比例越大。利用结构函数定量分析相位噪声的变化特性,得出相位噪声控制系统的带宽需求指标。实验测得在71,181和230 W泵浦条件下,所需相位控制系统带宽最小值分别为830 Hz,3.1 kHz和10 kHz。

红外探测器响应漂移特性会降低红外焦平面阵列(IRFPA)非均匀性校正的精度。针对该问题提出了一种基于场景的IRFPA非均匀性校正算法。该算法利用所获得的序列成像场景信息,采用一种基于快速自适应滤波器的最优化递归估计方法来获得非均匀性校正参数,并利用当前的成像信息来更新校正参数,以此降低探测器响应漂移特性对非均匀性校正的影响。算法仿真实验显示,对非线性参数为26.12%的同一图像,使用该算法、两点校正算法和卡尔曼滤波校正算法校正1 h后,可分别将非线性参数降至1.856%,3.122%和1.893%,说明该算法可获得稳定而较好的非均匀性校正效果。

采用渐变折射率分别限制单量子阱宽波导结构,通过降低非辐射复合、有源层载流子泄露、散射和吸收损耗来提高出射效率和降低激光阈值电流,从而提高半导体激光器阵列的输出功率;同时使P面具有更高的粒子掺杂数密度,优化N面合金条件,降低半导体激光器的串联电阻,降低焦耳热,提高了半导体激光器阵列的转换效率。利用金属有机化学气相淀积技术生长GaInAsP/InGaP/AlGaAs渐变折射率分别限制单量子阱宽波导结构激光器材料,利用该材料制成半导体激光线阵列在20%高占空比的输入电流下,半导体激光器的输出峰值功率达到189.64 W(180 A),斜率效率为1.1 W/A,中心波长为805.0 nm,阈值电流为7.6 A,电光转换效率最高可达55.4%;在1%占空比的输入电流下,阵列的输出峰值功率可达324.9 W(300 A),斜率效率为1.11 W/A,阈值电流为7.8 A,电光转化效率最高达55.6%,中心波长为804.5 nm。

建立了一套文氏咀临界背压比的测量系统,分别以氮气、氩气和氧气为工作介质,对两种加工工艺、不同规格文氏咀的临界背压比进行了测量,得到了各文氏咀对应不同工作介质的临界背压比,讨论了实验系统中第一个文氏咀的作用和温度对测量结果的影响。实验结果表明:设计合理、工艺合适的Laval喷管,临界背压比明显高于临界压力比,而且,比热容比越小,表面粗糙度等级越高,喉道直径越大,对应的临界背压比越大。

基于强激光辐照加载下纳米铜的层裂实验,采用含逾渗软化函数的损伤度函数模型对实验结果进行了数值模拟研究。强激光加载条件被简化为高斯分布脉冲压力施加在镍合金基体的前表面上。数值计算结果显示:损伤演化明显地改变了试样中波传播特性,无论是对微损伤还是完全层裂的试样,计算都较好地再现了实测自由面速度剖面,表明了含逾渗软化函数的损伤度函数模型在强激光加载条件下纳米铜层裂问题分析中具有较好适用性。

为提高40Cr合金钢的表面耐磨性,采用预置激光熔覆法在40Cr基体表面制备铁基合金涂层,利用扫描电镜观察分析熔覆层显微组织形貌,用显微硬度仪测试熔覆层截面显微硬度,用摩擦磨损试验机测定在润滑条件下基体、熔覆层的摩擦系数随温度变化的规律。研究结果表明:熔覆层与基体实现良好冶金结合,熔覆层横截面微观组织呈现平面晶、树枝晶和胞状晶分布;熔覆层硬度值介于617.5-926.6 HV0.2之间,基体硬度介于205.2-278.2 HV0.2之间;在200 ℃以下,熔覆层摩擦系数在磨程中趋于平稳,在0.1附近轻微波动,小于基体平均摩擦系数;当温度超过200 ℃,油膜分解,引发润滑失效,磨损方式向干摩擦转化,磨损机理从微切削磨损主导向粘着磨损、磨粒磨损和氧化磨损复合磨损方式转化。

基于多波长光束组合技术,利用光栅的衍射和外腔的反馈,将激光二极管阵列(LDA)发光单元锁定在不同的波长上,以近似平行光束沿光栅的-1级衍射方向组合输出,改善LDA输出光束质量。实验采用发光单元宽度为100 μm、周期为500 μm,由19个单元构成的1 cm普通商用LDA,在连续运行最大注入电流60.6 A时,自由运转输出功率49.8 W时,获得功率为20.1 W的组合光束稳定输出,其光谱宽度为15 nm,对应的远场发散角由约70 mrad变为1.66 mrad,改善后光束质量因子约为32,其值与单个发光单元的光束质量相当。

采用多抖动相位控制方法实现了两路和三路1 W量级光纤放大器的相干合成,对实验结果进行了详细分析。实验中,将种子光源输出激光分为两路(或三路),分别通过光纤放大器进行功率放大,并采用多抖动法实现相干合成。控制系统开环时,远场光斑条纹模糊不清,两路和三路合成时条纹对比度分别为0.19和0.12;系统闭环时,远场光斑条纹清晰可见,对比度提高到0.93和0.81,合成效率分别为80%和77%。此外,对两路和三路的合成效果进行了比较,指出了各路的控制资源对合成效果的影响。

针对环形光刀取样式高能激光束在线测量系统应用中光电探测器线性饱和功率密度低而被测高能激光功率密度高的特点,采用对取样激光扩束和介质膜衰减片级联衰减的方式,实现了数千倍的线性光强衰减。介绍了环形光刀扫描取样及其扩束衰减原理,并对介质膜衰减片在激光入射角 0°-15° 和功率密度1-1 000 W/cm2条件下的透过率特性进行了分析,用实验验证了该光强衰减设计的有效性。

针对空中目标红外辐射大气传输衰减的主导因素,通过Mie散射理论分析和计算得到了不同波长红外大气透过率之间的相关性关系。采用自主研发的激光遥感大气透过率测量仪并利用激光大气透过率多点断层测量技术,实测了1 060 nm波长激光的大气透过率,同步实时反演计算了临近波长红外辐射的大气透过率。实验数据验证了该方法可用于建立红外观测低空修正系统,实时计算获取大气对空间目标红外辐射的衰减特性。

针对自行研制的8通道Dante谱仪,提出了一种使用B样条曲线进行平滑解谱的算法,并用黑体谱对其进行了验证。计算结果表明:新算法与使用矩形函数解谱的算法相比,对能谱轮廓与总辐射强度的反演精度均有明显提高。给出了“阳”加速器氩气喷气Z箍缩实验的测量波形,由8通道Dante谱仪的测量结果解谱得到的软X光峰值辐射功率和总能量分别为40.5 GW和851 J,与软X光功率计经修正后的测量结果相一致。

利用时域有限差分法模拟了厚金属层上单一亚波长狭缝内壁刻有一微型腔结构光波传输,结果发现在特定波长发生异常的增强透射。结合透射峰值对应波长近场分布,利用麦克斯韦方程组和波导理论对增强透射进行解释,认为光波在微型腔和狭缝中形成共振腔模起了重要作用:在狭缝内形成纵模,可以形成透射峰;在腔内形成不同的腔模也可以形成透射模。

分别使用两种不同底角的轴棱锥产生无衍射贝塞尔光束。理论分析了单束贝塞尔光及两束贝塞尔光相干叠加后光场的光强分布,分析了产生的局域空心光束在一个完整周期内的特性。数值模拟了光沿纵向传播时光场的横向光强分布,并给出了相关的实验。对单束贝塞尔光及两束贝塞尔光干涉后的中心光斑的大小进行了测量,测量结果与理论计算结果吻合。

提出了描述整个飞秒多脉冲激光烧蚀过程的物理模型,模型考虑了多脉冲烧蚀的新的特点,考虑靶材吸收率随温度的变化和蒸发效应,建立了激光烧蚀不同阶段的热传导方程,给出了相应的定解条件。以金靶材为例,利用有限差分法,求解了热传导动力学方程,分别给出单脉冲和多脉冲作用下相应的靶材电子和离子亚系统的温度演化图像,及多脉冲激光作用下能量剩余系数和脉冲个数的变化规律,发现理论曲线与相应的实验数据吻合较好。研究结果充分证明多脉冲激光烧蚀过程中剩余能量的存在。

介绍了一种利用高分辨力CCD快速检测大口径光学元件表面和体内疵病的方法。利用侧照明方式对大口径光学元件进行均匀掠射照明,表面和体内疵病因为散射在暗室成像过程中影像被放大。对比研究了疵病示踪尺寸和真实尺寸,得出近似数学关系,利用高分辨力CCD,通过一次性成像获得光学元件疵病尺寸近似值、2维空间位置等定量描述表面特征的信息。

分析了Kirkpatrick-Baez(KB)显微镜的成像性质与周期多层膜元件间的关系。基于分辨力和集光效率要求,设计了KB显微镜的光学结构,模拟了KB系统的成像质量,用W/B4C周期多层膜反射镜进行了X射线成像实验,在±100 μm视场内得到优于5 μm的空间分辨力结果。实验与模拟结果的对比表明,加工精度和球差是影响中心视场分辨力的关键因素,有效视场的大小受多层膜角度带宽的限制。

以硼酸三正丁酯、甲醇锂为主要原料,甲醇和四氢呋喃为溶剂,利用溶胶-凝胶法通过优化工艺制备了掺锂硼酸盐凝胶。分别采用粘度分析、热分析、X射线衍射、扫描电镜、透射电镜及红外光谱,对凝胶形成过程、物相、成分、微观形貌等进行表征。结果表明:对凝胶在150 ℃条件下处理4 h获得干凝胶,干凝胶在450 ℃左右产生结晶的倾向,492 ℃干凝胶已经完全从非晶态转变为晶态,在808 ℃左右晶体熔解;干凝胶是多孔网络结构材料;干凝胶网络结构的基本组成单元是以≡B-O-B=键的方式连接的,其中一个硼原子是四配位,另一个是三配位的。

利用Christine 1维多信号非线性互作用物理模型,对螺旋线行波管中注入二次谐波后三阶互调的输出进行了模拟。模拟结果表明:在螺旋线大功率行波管中,通过二次谐波注入能有效地抑制三阶互调输出,从而降低了行波管的非线性输出,并存在最佳的注入功率和相位条件,使三阶互调可被抑制到最低。介绍了二次谐波注入抑制三阶互调的实验研究,并与模拟结果进行了比较,两者基本一致。

介绍了应用于超高压条件下的成像型速度干涉仪技术的光路结构和基本原理,该技术在传统速度干涉仪技术的基础上进行了改进,将收光部分改为成像系统,记录系统使用条纹相机,从而能够诊断高速冲击波信号。给出了全系统的光路图,提出了各分系统的参数要求。针对系统硬件,给出了探针光源、成像系统的基本参数,给出了三点支撑干涉仪的设计图,分析了记录系统的基本参数。对于静态实验,拍摄了静态靶的照片,并对静态靶照片进行了初步的分析:发现可以通过条纹对比度的变化初步判断像与靶的对应程度。

针对Gedney提出的完全匹配层(PML)无法用于有耗各向同性计算域的截断及其对倏逝波的衰减不理想等问题,提出了一种扩展方法。扩展的PML的主要思想是在各向异性的PML中引入与有耗介质空间相一致的复介电常数和复磁导率,使之可以与有耗介质计算域相匹配。通过给PML的张量介电常数、张量磁导率增加衰减因子以加速倏逝波的衰减。构造了PML吸收效果验证模型,数值结果证明了扩展的PML在处理有耗介质计算域截断问题中的有效性。利用该吸收边界条件,采用时域有限差分法计算了电磁脉冲作用下地面铺设电缆的电磁脉冲响应,计算结果和试验结果取得了较好的一致。

提出了一种边加载结构的径向三腔渡越时间振荡器。通过1维单粒子理论研究了直流渡越角和电压调制系数对束-波互作用效率的影响,并进行了2.5维数值模拟验证。数值模拟研究表明:该器件具有低阻抗、高效率、输出微波频率单一稳定等特点。在400 kV,60 kA无外加引导磁场的条件下,获得了平均功率为8 GW,频率为3.9 GHz的微波输出,效率达33.3%,阻抗仅为6.7 Ω。

提出了一个新的分析各向异性磁等离子体中电磁波传输特性的时域有限差分(FDTD)方法。该方法是将电流密度矢量与电场强度矢量之间的本构方程基于拉普拉斯变换原理转到复频域,然后再逆变换到时域得到它们之间显式的方程,最后再结合指数差分,得到离散时域的显式的FDTD迭代方程,解决了本构方程中电流密度矢量的分量相互耦合而不易直接离散的困难。该方法在数学上具有简单明了和易于计算的特点,同时通过该方法计算各向异性等离子体板的电磁波反射和透射系数,与其解析解进行比较,结果表明了该方法的准确性和有效性。

通过在校准头的耦合波导中填充介电常数为10,损耗角正切为0.6的损耗电介质材料,利用该介质对电磁波的损耗来近似测试头中的输入输出耦合环对电磁场能量的影响,以满足镜像法中测试头和校准头中电磁场分布一致这一要求。这一损耗介质材料的引入,改进了测试头和校准头的设计,使得测试头在取得较大耦合量的同时能保持与校准头的对称性,减小了以往测试装置低耦合量所引起的测试误差。

针对²⁵²Cf快中子、γ射线的飞行时间谱测量要求,提出并建立一种基于高速数据采集卡的新型测量系统。采用1 GHz高速A/D转换单元和现场可编程门阵列高速处理单元,进行脉冲时间序列的在线检测,时间精度为1 ns。使用相关函数法,通过PC机的数据处理、互相关函数计算和数值统计等实现中子、γ射线飞行时间谱的测量。实验结果表明,该系统可以获得²⁵²Cf自发裂变中子源的中子、γ射线飞行时间谱,与经典的飞行时间谱测量方法相比较,其图谱表达及数值结果有着很高的吻合度。

为解决基于PC机平台、高达1 GHz采样率下之相关计算和频谱分析对实时性要求的关键技术问题,针对中子脉冲序列核信号本身所具有的特殊的“0,1”结构特点,采用快速移动的方法,借助于内存管理及SSE优化设计,创建了优化频谱分析的流程,构造了高速、实时的相关计算和功率谱分析算法,实现了1 GHz采样率下的中子脉冲序列核信号的实时相关计算和频谱分析。性能测试结果表明,在计数率为3×106 s-1,单个块(长度为1 024)时,研究的相关算法的计算时间为0.29 μs,相应的英特尔数学内核库的相关计算时间为129.95 μs。现场实际试验表明,该算法达到了对中子脉冲序列核信号进行相关计算和频谱分析的实时性要求。

针对高能闪光照相中投影图像的特点,对数字图像处理中具有代表性的Sobel边缘检测算法进行了分析,发现该算法存在检测出的边缘粗和人为进行阈值的选取会造成边缘点的误判的缺点;为此提出了一种阈值确定方法和基于最大梯度的定位准则算法。改进的算法实测结果表明:该方法有效地解决了Sobel算子检测出的边缘过粗的问题,得到的边缘较细,定位精确,提高了边缘检测精度,可用于高能辐射照相中的边缘提取。

利用等效电路模型下的螺线圈型爆磁压缩脉冲功率源计算程序BCYSSYS,通过参数选择,设计了一种两级螺线圈型爆磁压缩发生器(08型),并进行了电感性负载实验。该发生器在输入2 kJ的初始能量条件下,能在3 μH电感性负载上输出220 kA的电流,输出能量72 kJ,有效脉宽约21 μs,并将实验与计算结果进行了比较,验证了等效电路模型程序用于该类型发生器参数设计的实用性。

提出了利用Hugoniot数据、变形Morse势和Grvneisen模型来确定固体材料的高压状态方程的方法。该方法物理意义明确,表达式简洁。用此方法计算Au的高压状态方程,将所得的状态方程与Sesame数据库中Au的状态方程进行比较,发现在密度20-28 g/cm3内两者吻合较好,相对误差在0-10%的范围内,表明运用Hugoniot数据结合Grvneisen模型计算材料的状态方程是很适合的。

从碰撞次数的概率分布出发,推导出一种补偿蒙特卡罗碰撞模型,采用以正态分布计算得到的平均碰撞次数作为碰撞概率,来补偿传统方法中忽略的多次碰撞。通过模拟不同折合电场强度条件下He气放电产生电子的运动规律,验证了补偿蒙特卡罗碰撞模型的正确性。计算结果表明:补偿蒙特卡罗碰撞模型可以有效地提高计算效率,特别适用于高气压气体放电现象的粒子模拟。

为满足脉冲功率系统高性能、小型化的应用需求,设计并制作了聚酰亚胺膜为介质层、黄铜为金属层及聚全氟乙丙烯膜为介质层、不锈钢膜为金属层2种方案的微堆层绝缘子。基于Marx发生器及单同轴脉冲形成线的纳秒脉冲真空实验平台,对微堆层绝缘子的真空沿面闪络性能进行了测试。为了精确标定测量系统,利用输出脉冲幅值约20 kV的磁脉冲压缩电源对测量系统进行了标定,得到的分压比为25 133∶1。对2种方案微堆层试样的测试结果表明,闪络发生在电压上升期间,最大真空沿面闪络场强接近180 kV/cm。

针对脉冲能量5-8 mJ的ArF准分子激光器,设计了基于可控硅开关结合三级磁脉冲压缩开关的全固态脉冲电源,采用国产可控硅和磁开关材料,获得了上升时间约150 ns,电压10-14 kV,传递能量035-0.68 J的激励脉冲,并实现了对准分子激光器快放电激励。三级磁开关总效率35%,分析表明磁开关损耗较大主要原因为电容能量转移不充分、导线铜损及磁芯材料铁损较大,并提出了相应改进办法。

介绍了基于高速大功率反向开关晶体管(RSD)的磁压缩固态脉冲电源试验平台,就RSD状态电流及磁压缩脉冲电流的波形特征对检测环节高需求的问题,研究了罗氏(Rogowski)线圈传感头的频率特性,在对比已有传感头信号处理方法的基础上,给出了一种新型结构的自积分与外积分复合式罗氏线圈的设计过程和参数选取方法,在保证传感器具有1 mV/A灵敏度的前提下,将传感器的工作频带从低频拓宽到线圈的自然角频率。给出了二级磁压缩网络放电的负载电流实验波形及RSD开关的触发、导通电流波形,验证了该罗氏线圈传感器能够满足本固态脉冲电源中的RSD开关状态电流高精度检测和负载电流的高频检测要求。