设计了四程泵浦的Yb:YAG薄片激光器。晶体掺杂原子数分数为10%, 几何尺寸为直径10 mm、厚340 μm, 提出了Cr/Au金属化方案, 采用铟焊工艺将其焊接到微通道水冷热沉上。耦合系统为四程泵浦结构, 球面镜规格为直径30 mm、曲率半径50 mm。利用LightTools软件模拟计算了泵浦光斑半径, 选用曲率半径200 mm输出镜以使泵浦光斑半径与基模光斑半径比符合模式匹配原则。在激光二极管阵列泵浦功率为18.73 W 时,获得了最高功率为4.81 W的1 030 nm连续激光输出,光-光转换效率为25.7%。

为了提高激光器输出功率, 对研制的铜微通道冷却器性能进行了测试, 分析了其散热能力。设计了一种在软焊料中掺杂金属添加剂的工艺, 有效抑制了晶须生长, 并利用该冷却器和新工艺封装出了连续100 W大功率二极管激光器, 并对封装的器件进行了性能测试。测试结果表明, 封装的连续100 W器件在工作电流105 A时, 输出功率超过了100 W, 中心波长为808.5 nm, 光谱半高宽为2.15 nm, 器件的smile尺寸小于2 μm, 部分值小于0.5 μm。

使用闭环控制的自适应控制光学系统对飞秒激光的波前进行调控, 可以有效改善激光与物质相互作用中由于相位畸变或光路偏差导致的效率下降。利用可编程纯相位的液晶空间光调制器结合模拟退火算法设计的自适应优化系统, 在BBO晶体的飞秒倍频过程中实现了对相位畸变和光路偏差导致倍频效率下降的自动补偿, 从而实现飞秒倍频效率的最优化。

建立了多元件谐振腔本征模的有限元传输矩阵模型。提出了模式计算相对误差概念及相应表达式, 该表达式在数值上不受菲涅耳数的影响, 能够很好反映有限单元划分方案对不同菲涅耳数的谐振腔的模式计算精度的影响。提出了有限单元划分精细度的概念和相应表达式, 用以表征有限单元划分的精细程度。该表达式以菲涅耳数作为有限元传输矩阵法对腔镜单元格数划分的相对要求, 用镜面实际划分的单元格数与菲涅耳数的比值来表征有限单元划分的精细程度。分析了不同谐振腔参数变化时模式计算相对误差与有限单元划分精细度的关系,建立了3种不同函数形式的经验表达式, 并通过比较拟合残差选择了拟合效果较好的表达式。

数值模拟了37单元曲率型自适应光学系统的波前校正过程, 分析了该系统对低阶Zernike像差的校正效果, 结果表明:低阶Zernike像差均能够得到较好的校正。分别对曲率为零和不为零的Zernike像差校正效果进行了对比分析, 结果发现:曲率为零的Zernike像差同样可以被曲率型自适应光学系统校正, 而且效果好于曲率不为零的Zernike像差校正。

利用激光体烧蚀模型, 数值模拟了激光驱动飞片的加速过程, 包括激光的吸收和飞片的速度历史等。在光强为GW/cm2量级的激光作用下, 激光烧蚀产生的等离子体的流体力学运动可用改编的1维Lagrange流体力学计算程序SSS来描述。通过计算得到不同激光能量下的飞片密度剖面, 由此给出金属薄膜的烧蚀深度与实验测量值进行比对, 二者符合得较好。

研究了激光辐照金属材料过程中的氧化放热模型, 采用有限元方法编制了计算程序, 数值计算了激光辐照钢板在吹空气、吹氮气以及不吹气条件下温升的时空分布, 分析了氧化放热量的大小。数值计算结果表明: 吹氮气和不吹气条件下, 钢板背表面温升的差异不大; 在吹空气条件下, 氧化放热量约占钢板中沉积能量的34.6%。数值计算结果与文献报道的实验结果符合得很好。

用波长为10.6 μm的波段外连续波激光辐照PV型HgCdTe中红外光电探测器, 得到了不同辐照功率密度下探测器的响应输出随激光功率密度变化的一系列实验结果。观察到探测器对波段外激光的电压响应方向与波段内激光的电压响应方向相同, 随波段外激光功率密度升高, 探测器的电压响应值先增大后减小。分析认为:该现象是由于探测器材料的弱吸收和基底材料的强吸收在不同时刻产生的不同的温度梯度, 与材料的整体温升共同作用的结果。该温度梯度在探测器内产生温差电动势, 而热激发的电子空穴对在温度梯度的作用下定向运动被结电场分离, 产生热生电动势,热生电动势是波段外激光辐照下PV型探测器中电动势产生的主要机制。

为同时滤除图像中的椒盐噪声和高斯噪声,提出了一种基于小波变换的混合噪声自适应滤除算法,该算法首先采用中值滤波去除椒盐噪声, 然后借助边缘检测算子区将图像为分边缘与非边缘区域, 进一步对非边缘区域引入改进的均值滤波器, 有效削弱高斯噪声的同时保护图像边缘细节, 既初步削弱高斯噪声又保护了边缘, 最后采用改进的小波阈值滤波算法, 对不同的小波系数采用不同的阈值函数, 通过线性回归得到各最优阈值关系式。实验结果表明, 该混合噪声自适应滤除算法能有效滤除椒盐噪声和高斯噪声, 在图像主观质量和客观质量上均取得了较好的效果, 能提高去噪图像峰值信噪比0.5～2．0 dB。

分析了温度梯度和均匀温度对潜望式激光通信终端反射镜形变的影响, 利用椭圆域上的Zernike多项式对椭圆反射镜的波前进行拟合, 计算由于热形变导致的波前畸变误差, 给出了星间激光通信终端反射镜均方根值、发射光束瞄准误差、接收端光强随温度梯度和均匀温度的变化关系。结果表明:温度梯度对反射镜的影响只是引起峰值光强的漂移和少许下降, 当温度梯度为14 ℃/m时瞄准误差达2.1 μrad。均匀温度会引起接收端的光强分布变化, 从而导致很大的瞄准误差和光强衰减, 当均匀温度与参考温度的差值小于0.6 ℃时, 由波前畸变误差引起的瞄准误差小于1 μrad, 当差值大于0.6 ℃时, 瞄准误差突然增大到几μrad, 接收端光强分布发生变化, 此时反射镜热形变引起的像散项对光强分布起重要作用。

以水平方向距仪器1 000 m的卤钨灯为光源, 通过同步对比实验探究了两台四孔大气相干长度仪的系统性能。实验结果表明, 由它们测得的大气相干长度的大小和总体变化趋势能够较好吻合, 相关性系数均在0.94以上, 具有较好的一致性。在此基础上, 进一步研究了Dome效应对该系统性能的影响。该效应的影响主要表现在使大气相干长度变小, 其强度则由系统沿光路方向移动的距离决定。当移动距离小于15 cm时, Dome效应较弱, 不会对实验结果产生明显影响; 在距离从15 cm增至55 cm的过程中, 其强度不断增加, 并在55 cm处达到最强, 此后则不再随距离的增加而变化。在整个实验过程中, 实验结果的相关系数始终在0.9以上, 即Dome效应对大气相干长度的总体变化趋势没有明显影响。

在高重复频率激光推进的研究中, 激波的合并是发生在激波演化后期的, 同时由于脉冲间隔短, 脉冲宽度对流场演化的影响也需要详细研究。考虑了激光辐照过程对流场演化的影响, 通过数值计算对激波演化特性进行了研究。结果表明, 初期波阵面的椭球形状逐渐转化为一个球形, 球心与击穿点的距离随时间逐渐减小并最终趋于稳定。基于激波合并的应用, 当激波马赫数在1~2之间时, 给出了激波波阵面半径随时间的变化规律, 以及激波高压区长度和波峰压强随激波波阵面半径变化规律的经验公式。

基于标准ACIS模型数据, 利用Inventor VBA语言和B样条曲线对脉冲气体激光器中Ernst面型曲线进行逼近, 并采用线性扩展法对Ernst面型电极实现了3维实体建模设计, 设计结果可以直接导入Ansys进行3维电场有限元计算分析。通过对比不同坐标点数的Ernst曲线的误差情况, 明确了导致电极边缘面型误差的原因, 对于B样条逼近Ernst曲线上曲率较大的部分进行了局部密集采样, 在提高模型文件中曲面面型精度的同时平衡了计算的速度, 并对设计结果进行了Ansys有限元计算和初步分析。

对强杂波背景下的远距离目标探测, 提出基于序列图像的局部自适应背景预测,获得图像背景的最佳估计。对残差图像采用能量累积及中值滤波消除背景杂波。为提高信噪比, 采用带缓冲窗口的双窗滤波法使目标和背景的差别更加显著, 有利于低对比度下的目标分割。最后采用改进的高阶相关方法, 在不影响检测性能的情况下加快了真实目标识别的运算收敛速度,并最终实现了算法工程化, 在图像局部信噪比大于0.3时, 采用三阶相关时检测概率达到98%。

为研究宽覆盖多光谱相机的激光干扰效应, 利用红、绿、蓝3种波长激光对3通道CCD(3CCD)相机进行饱和干扰实验, 测量得到了不同波长对应3CCD相机不同通道的饱和阈值, 通过研究3CCD相机的工作原理,对一定波长辐照下3CCD不同通道饱和阈值差别进行分析, 并在实验中对比研究了同一功率下, 单波长和多波长耦合的饱和干扰效果,实验结果表明,多波长耦合要优于单波长的干扰效果。

基于OpenGL和大气传输光学分析的3维全数字仿真是激光跟瞄系统的重要研究手段。为提高跟踪和瞄准精度, 从激光跟瞄仿真系统整体出发, 研究了目标成像中的投影变换、成像与跟踪的关系、高精度跟踪现有算法的控制过程仿真等内容, 并提出了基于大视口、目标大气传输图像序列的跟瞄仿真技术。说明了仿真系统中跟瞄精度分析的特点。就某仿真场景, 设计了“头部顶点”和“两点提取”两种跟瞄方法, 在不同大气湍流条件下得到了它们的跟瞄精度, 说明应用该激光跟瞄仿真系统, 能够预先设计、测试和验证一些跟瞄方法, 帮助进行算法分析和改进, 从而提高工作效率和节约成本。

阐述了参考光束型激光多普勒测速仪的基本原理, 从理论上分析了原理公式近似、高斯光束干涉、激光线宽、探测器孔径、有限渡越时间、信号处理算法、空气折射率变化及角度测量等诸多因素对激光多普勒测速仪测量结果造成的误差, 研究并给出了每一种影响因素所引起误差的理论公式, 在每一种影响因素中具体讨论了各种光学参数对测量误差的影响并对部分参数进行实验研究。理论分析和实验表明: 在实验中需要选择线宽较窄的激光器及孔径较小的光电探测器, 而在选择光束光斑半径和信号光中心光线的方向与粒子运动方向的夹角时, 既要考虑激光的质量和多普勒信号的强度, 同时也需要考虑原理公式近似、探测器孔径的尺寸、有限渡越时间及高斯光束干涉等多种因素对测量结果的影响。

利用表面放电光泵浦XeF(C-A)蓝绿激光器开展了激光线宽压缩技术研究, 分别采用谐振腔腔镜谱带重叠法和光栅谐振腔法实现了线宽小于10 nm的窄线宽激光输出。采用谐振腔腔镜谱带重叠法, 激光输出线宽约7 nm,采用光栅谐振腔法可以将激光线宽压缩到约1 nm, 并实现XeF(C-A)激光的可调谐输出, 调谐范围为470～495 nm。

对条纹相机所使用的一种具有双板电极结构的变像管(Bilamellar)进行了研究, 这种变像管使用平板状电极和电四极透镜等设计,改善了传统轴对称结构变像管存在的不足。通过仿真模拟的方法建立了Bilamellar变像管的工作模型, 对其结构构成、工作模式、成像特点等性能作出了分析评估。计算结果表明:根据这一思想设计的变像管结构可以更有效地控制空间电荷效应,并提高时间、空间分辨能力。

薄膜吸收是降低膜层激光损伤阈值的重要原因,为了研究薄膜吸收对激光损伤阈值的影响, 对HfO2单层膜在1 064 nm处的吸收及其在不同波长激光辐照下的损伤阈值进行了测试和分析。研究结果表明: 薄膜的激光损伤阈值由薄膜吸收平均值(决定于薄膜中缺陷的种类和数量)和吸收均匀性(决定于薄膜中缺陷的分布)共同决定; 根据HfO2单层膜在1 064 nm波长处的吸收值, 不但可以定性判断薄膜在1 064 nm波长, 而且还可以判断在其它波长激光辐照下的抗激光损伤能力。

采用化学镀技术在ICF玻璃靶丸表面均匀包覆一层磁性Ni-Co-Fe-P四元合金涂层, 通过扫描电子显微镜、原子力显微镜、能量衍射谱仪和振动样品磁强计对ICF玻璃靶丸表面化学镀Ni-Co-Fe-P四元合金涂层的形貌、组成和磁性能进行了表征。结果表明: 化学镀Ni-Co-Fe-P四元合金涂层的ICF玻璃靶丸, 表面由平均直径为50 nm的细小颗粒组成, 表面粗糙度小, 磁性能高, 可望用于磁悬浮实验研究。

介绍了神光Ⅱ装置激光黑腔靶实验中全孔径背反系统的工作原理, 分析了激光靶耦合背反系统对散射光的收集情况, 发现打靶产生的散射光完全进入背反收光系统, 同时, 8路激光对穿打靶时全孔径背反系统中存在杂散背景光。采用场图感光纸结合滤光片的方式对杂散背景光成分进行了分析, 结果表明, 杂散光的成分为打靶激光倍频过程中剩余的部分二倍频和基频光。在北4路激光注入打靶时, 用南4路全孔径背反系统的能量测量系统对南4路背反系统中的杂散光进行了监测, 显示杂散光对背反系统SRS能量测量的影响约为15%。

为了提高金柱腔表面质量, 借助扫描电子显微镜及其附带的能量色散谱(EDS), 3维视频显微镜(SEM)等现代微观形貌观测手段和成分分析手段, 通过单因素实验, 分析了金柱腔缺陷形貌和组成以及缺陷产生的原因。探索了电流密度、金属杂质、有机污染物、预镀工艺及基底材质对镀层质量的影响, 并对其作用机理进行了探讨。实验结果表明: 对麻点和节瘤等缺陷抑制作用明显的工艺参数为, 金质量浓度13～22 g/L时, 电流密度的最佳范围为24～3.2 mA/cm2; 金质量浓度5～13 g/L时, 最佳范围为2.0～2.6 mA/cm2; 大电流冲击时间不超过1 min; 镀液无有机杂质污染; 芯轴无钝化。

在神光Ⅱ强激光装置上, 用条纹晶体谱仪对埋点于黑腔靶内壁上的双示踪Ti和Cr材料的激光等离子体高离化态离子发射的X射线谱线进行实验测量, 获得超高时间分辨的X射线细致结构谱线。用碰撞辐射模型计算了非局域热动平衡的等离子体布居数, 组态平均速率系数由一级微扰理论计算, 电子波函数由Hartree-Fock Slater自洽场方法计算, 给出了Ti和Cr激光等离子体在电子密度为1019～1022 cm-3范围内的He-α线强比与电子温度的关系曲线。采用等电子X射线谱线法, 获得了黑腔靶激光等离子体冕区的电子温度随激光脉冲加热从低温到高温、然后缓慢下降的演化过程, 其峰值达到2.05 keV。

使用多道软X光能谱仪测量黑腔辐射能流时间过程并使用最小二乘法将多道谱仪的响应函数线性组合为等效平响应。针对惯性约束聚变实验中软X光能谱强度分布不均匀、等效平响应局部不平带来的误差, 提出了辐射能流求解的加权改进算法。对不同谱形和等效积分温度的能谱进行了计算, 比较了不同方法得到的能流还原能力。改进后的方法应用于实验数据的处理, 得到了修正后的等效积分温度随时间的演化过程。

为了有效地表征和评价光学元件局部小尺度波前畸变, 提出了能同时反映空间频率和空间位置的Wigner分布函数评价方法。通过理论分析Wigner分布函数与功率谱密度之间的关系, 得到了局部波前畸变的评价方法和指标。模拟计算和实验结果验证了该方法的有效性, 并表明: 该方法不但能判断光学元件的中频误差是否满足惯性约束聚变系统要求, 而且还能确定不满足要求的特定区域, 从而有效地指导光学元件的返修。

为满足快点火对点火脉冲功率的要求, 主要在建和规划中的快点火驱动器均提出类似天文望远镜的拼接技术, 实现大口径多路激光的相干聚焦。采用几何光学追迹和傅里叶方法求解拼接聚焦模型, 针对抛物面镜的拼接规模和控制精度对焦斑峰值功率的影响进行了理论和数值模拟研究。模拟了2×2, 3×3和4×4拼接离轴抛物面镜在一定控制精度下远场焦斑的斯特列尔比, 并由正态分布的蒙特-卡罗方法分析了精度误差对斯特列尔比的影响。结果表明, 面外旋转角和轴向活塞位移误差分别为1 μrad和210.6 nm时2×2结构的焦斑斯特列尔比大于0.8的概率超过60%。

为了从实验上分析和验证H-S传感器测量M2因子方法, 对使用双曲线拟合法测量M2因子和H-S传感器测量M2因子做了详细的实验研究, 且对实验结果、实验误差进行了比较与分析。研究表明: 当H-S波前传感器透镜组足够多, 重构误差较小, 选取合适的泽尼克多项式阶数时, H-S波前传感器一次测量法得到的光束的M2因子与传统方法测得的M2因子值基本相当。与双曲线拟合法相比, H-S传感器法适用范围小, 但是当满足测量条件时, H-S传感器法更便捷。

针对GS算法在设计连续相位板(CPP)时, 迭代过程在解包相位中引入的高频调制, 研究了初始相位与解包相位的频谱分布特性, 并对两者的差别进行了比较。根据初始相位的频谱特性, 提出了以初始相位的频域截止频率为相位滤波器的截止频率的滤波器选择方法。利用该方法进行了CPP设计, 设计结果对应的远场焦斑参数为: 均方根误差0.267 2, 能量利用率96.32%, 顶部不均匀度0.101 2。

针对相对论磁控管中自磁场的产生与分布、自磁场对电子运动的影响以及自磁场对互作用的影响进行了深入分析。分析认为, 由于自磁场分布的不对称, 自磁场对不同区域电子束的作用不同。加速器一侧的电子束受到更明显的自磁场作用, 促使此区域的电子束角向速度增加, 直接激化模式竞争。同时, 如果阴极比较靠近加速器一侧的1/4区域(距磁控管对称中心大约1/4高度), 模式竞争将进一步被激化。

通过理论分析指出,单模相对论返波振荡器内的平均场强正比于其工作频率, 工作在高频段难以实现长脉冲运行。采用电磁场仿真方法, 比较了X波段单模和过模慢波结构的场分布特点, 结果表明:增加过模比能有效减小慢波结构表面的射频场强, 但由于场分布变化导致场强的减小与过模比的增加相比并不显著。利用过模比约为3的慢波结构设计了一种X波段长脉冲高功率微波源。实验中, 在单次运行条件下, 输出微波功率达到2 GW、脉宽80 ns; 在20 Hz重复频率运行条件下, 输出微波功率达到1.2 GW、脉宽100 ns。器件产生的微波频率为9.38 GHz, 主模为TM01, 效率约24%。微波窗口和慢波结构表面的射频击穿是目前实验中限制微波功率和脉宽增加的关键因素。

从物理机制上定性地分析了导致脉冲缩短的主要原因, 给出了长脉冲重复频率运行下的相对论返波振荡器(RBWO)设计原则。结合传统谐振式返波振荡器的基本设计理论, 设计和模拟优化了工作在S波段的长脉冲RBWO, 并利用本实验室现有长脉冲脉冲功率驱动源开展了S波段长脉冲RBWO的实验研究。实验结果表明: 在单次运行条件下, 微波输出功率达到约2 GW、脉宽约90 ns; 在10 Hz重复频率运行条件下, 输出微波功率达到约1 GW、脉宽约100 ns。器件产生的微波频率为3.6 GHz, 输出模式为TM01模, 效率约20%。对实验结果分析表明, 器件截止颈和第一个慢波结构结合处的爆炸发射是导致脉冲缩短的主要原因之一。

基于单轴晶体中三波互作用的共线相位匹配技术, 采用CO2激光器泵浦非线性晶体AgGaSe2, 数值计算出在oee类和oeo类相位匹配条件下, 差频产生太赫兹波的相位匹配角、走离角、允许角和有效非线性系数。计算结果表明:两类相位匹配太赫兹波可调谐的范围都非常宽, 而且走离角都在1°以下, 允许角足够大。在绝大部分太赫兹波区域, oee类匹配有效非线性系数远大于oeo类匹配, 实验中适合采用oee类相位匹配方式。

研究了一种用于功率合成的GW级高功率微波功率合成器。该合成器工作在X波段, 输入微波由2路工作频率不同的X波段的微波源产生。为了满足输出功率和功率容量的要求, 用于功率合成的微波源工作段波导的过模因子为12.7, 这给功率合成器的设计带来了一定的困难。着重讨论了如何利用过模波导设计X波段高功率合成器, 研究了如何抑制过模波导的高次模式并提高其功率容量和传输效率。设计的功率合成器单路传输效率达到99.0%以上, 允许的最大输出功率达到5.6 GW以上, 还可以按照需求适当增大高度, 以进一步提高其功率容量而不影响传输效率。

提出了一种微波衰减器脉冲功率容量的测试方法, 该方法可概括为利用定向耦合器组测试比对法, 测试系统主要由微波源、定向耦合器组、衰减器、检波器及示波器等器件及设备组成。选取了广泛应用于高功率微波测试系统的波导衰减器及同轴衰减器进行了功率容量测试。初步测试结果表明:在X波段, 对于μs量级脉冲宽度的单脉冲, 衰减材料为羟基铁的BJ-100矩形波导式衰减器的脉冲功率容量可达50 kW, 厚膜电阻为衰减材料的N型接头的同轴式衰减器的功率容量可达10 kW以上。

通过在时域有限差分(FDTD)方法中引入移动坐标系, 解决了一般FDTD方法处理脉冲长距离传播时面临的困难。推导了移动坐标系下的场方程和FDTD差分格式, 并将该方法应用于模拟波导中电磁脉冲的传播。计算结果表明, 在传播过程中, 脉冲波包沿传播方向逐渐展宽, 脉冲的峰值场强变小, 同时出现了色散现象, 脉冲中传播较慢的成分逐渐移向尾部, 产生带尾态, 这与一般FDTD方法得到的计算结果接近。多个频率的计算结果表明, 该方法与一般FDTD方法得到的数据的相对误差小于0.1%, 验证了方法的可行性和正确性。

带状电子注真空器件是一种很有潜力的高功率微波毫米波器件,其中带状电子注的稳定传输和聚焦是该器件的关键。针对带状电子注的聚焦和传输, 提出采用周期椭圆螺线管结构来稳定传输高椭圆率的带状电子注。通过理论分析, 得到椭圆螺线管的磁场分布情况, 研究了该磁场下带状电子注的运动情况, 并且推导出带状电子注在周期椭圆螺线管结构中稳定传输的条件。最后, 采用粒子模拟验证了该稳定传输条件。

针对复杂电大目标电磁脉冲耦合效应缺乏定量研究的问题, 基于时域有限差分方法(FDTD)建立了一套电磁脉冲耦合效应建模与评估分析流程, 开展了低频电磁脉冲激励下的仿真试验, 获取和分析了特性数据, 进而提出了一种表面加载透明导电材料的低频电磁脉冲激励防护方法。试验结果表明:基于功率密度的易损性分析具有良好的工程适用性, 而且防护方法对低频电磁脉冲激励具有较好的屏蔽效能。

采用编码源能大大提高中子成像的中子注量率, 同时保持较高的准直比。对改进的均匀冗余矩阵编码源中子成像进行了计算机模拟并利用可见光进行了实验, 初步验证了编码源中子成像的可行性, 并且探索了各种在非理想条件下成像对图像质量的影响并提出了解决方法。结果表明, 编码源配合相关算法能够较好地重建图像, 反解后的物体尺寸及分辨能力与单孔成像相当, 同时缩短了曝光时间。若物体与理想成像面存在着位置或旋转偏差, 则投影大小与探测器CCD像素、解码矩阵尺寸便不能对齐, 但仍可以通过对图像背景噪声标准差的计算来后期修正图像, 也可以利用此方法在实验前确定编码源成像系统中理想成像面的位置, 以确保图像质量。

在中国散裂中子源大功率可编程脉冲电源设计中,主回路采用绝缘栅双极型晶体管(IGBT) H桥串并联拓扑, 错相工作方式,利用IGBT功率放大的特性,实现了电源高功率(60 MW)、高频率(1.843 2 MHz)、高压(3319 kV) 和大电流(18 kA)的要求, 并通过电源反馈控制系统, 实现了电源的快速响应时间, 使电源跟踪精度达到1.5%, 满足指标要求。在电源研制中, 解决了IGBT高压、大电流的均压和均流问题; 由于IGBT工作在开关状态, 为了消除谐波, 利用多重化技术, 得到了光滑的输出脉冲电流曲线; 采用电流互感器的并联, 实现了输出大电流的检测; 电源的反馈控制策略采用比例和前馈运算, 实现了电源输出波形对给定波形的快速跟踪。

利用弦积分的可见轫致辐射计算了先进实验超导托卡马克(EAST)的有效电荷数。对比分析EAST硼化前后的杂质含量, 硼化后有效电荷数减小约40%, 碳杂质含量减小约50%。统计分析了2009年EAST春季实验的有效放电, 显示有效电荷数与碳杂质线辐射量存在很强的线性关系, 得到的拟合系数是3.4~5.8, 与等离子体电流和低杂波辅助加热功率都有明确的依赖关系。利用近紫外可见波段全谱对主要杂质的含量进行比较后显示, 碳是最主要的杂质, 大于其它轻杂质含量。同时, 还介绍了新建成的多道轫致辐射诊断系统。

为控制高频加速腔体产生具有稳定的幅度、相位和频率的射频加速电场, 设计了实验环高频低电平控制系统。为保证控制的稳定性、可靠性和实时性, 系统各功能模块以硬件模拟电路为主体, 同时为了协调控制各功能模块的工作并补偿某些功能模块的非线性误差, 增加了数字模块。该系统由相位稳定、幅度稳定和频率调谐３个子系统组成, 采用高频鉴相、PID控制、DSP和FPGA等技术。目前, 控制系统通过了长期稳定性的实验和高功率实验,幅度控制精度±3％, 相位控制精度±2°, 频率调谐精度±5°。

通过数值模拟, 结合解析计算分析, 研究了Echo-enabled谐波放大自由电子激光对装置参数和主要束流参数变化的独立敏感性, 给出了谐波聚束因子和饱和功率随参数变化的数值模拟结果; 对色散段由相干同步辐射效应引起的能散和发射度增长进行了估算和数值模拟。结果表明: 相干同步辐射效应引起的切片能散和切片发射度增长在5%以内, 对最后辐射影响不大。

利用扫描电镜能谱X射线衍射及力学性能分析了电解腐蚀制备的超细钨丝在大气下的氧化行为和过程。结果表明: 超细钨丝在大气下氧化所得黑褐色产物应为介于WO2及WO3之间的复杂氧化物; 超细钨丝在电解腐蚀后表面氧质量分数已超过1%, 随后在大气下氧化, 钨丝表面氧含量先升高后降低; 电解腐蚀使得钨丝表面形成规则的条形纹, 大气下氧化10个月后超细钨丝表面出现不规则辉纹, 氧化85个月后不规则辉纹和条形纹的起伏均趋于平缓; 氧化会使得钨丝断裂强度降低, 但在氧化初期, 延伸率变化极小, 这些性质应与其氧化物具有保护性和非保护性固态氧化物的双重性质有关。

基于ICF中子半影成像分辨力的要求, 利用蒙特卡罗方法, 模拟了4种系统模型的点扩展函数, 分析半影孔装置、靶室和中子束流通道的钢管、高密度内爆靶丸的散射中子对点扩展函数的影响; 模拟了平面中子源在4种模型中的半影成像,并用维纳滤波方法重建, 分析了散射中子对中子半影成像诊断的影响。模拟结果表明:半影孔装置、靶室等的散射中子不会造成点扩展函数的变形, 仅仅增加本底, 对诊断的影响可以忽略; 高密度内爆靶丸的散射中子会造成点扩展函数的平滑, 但对诊断的影响有限。

利用高温熔融法制备了Li+掺杂Tb3+激活硅酸盐闪烁玻璃。通过Li+掺杂Tb3+激活硅酸盐玻璃的紫外可见透射光谱、发射光谱和发光衰减时间谱, 研究了Li+的加入对Tb3+掺杂硅酸盐玻璃发光性能的影响。结果表明: 适量Li+的加入可有效增强Tb3+激活硅酸盐玻璃的发光强度, 且相比于不掺杂Li+的Tb3+掺杂硅酸盐玻璃而言, 当掺入质量分数为2.0%的Li+时, Tb3+在玻璃中的最佳掺杂质量分数由12.8%提高至15.3%。其原因是Li+掺杂增加了玻璃体系中非桥氧的数量, 从而有利于改善Tb3+在玻璃体中的均匀性, 降低Tb3+间因非辐射跃迁而引起的能量损失, 以及提高Tb3+的最佳掺杂质量分数。但当掺入Li+的质量分数超过2.0%时, 会对Tb3+激活硅酸盐玻璃的闪烁光强产生负面影响, 这是因为过多的非桥氧阻碍了X射线激发能达到Tb3+离子的能量传递。

为了考核FPGA器件空间使用时的抗辐射能力, 对Altera SRAM型FPGA器件60Co γ辐照后的总剂量辐射损伤效应及退火效应进行了研究。通过不同模块实现相同的分频功能, 比较了不同模块输出波形随总剂量、退火时间的变化关系; 通过实现不同源程序所需的模块不同, 比较了不同模块、不同源程序功耗电流随总剂量、退火时间的变化关系。分析了功耗电流在不同退火温度下恢复的原因, 讨论了不同退火温度下功耗电流恢复幅度的差异。测量了输出端口的高低电平, 分析了高低电平随总剂量、退火时间的变化关系。实验结果表明: 氧化物正电荷的退火导致了不同退火温度下的功耗电流的恢复, 并且浅能级亚稳态的氧化物正电荷的数量多于深能级氧化物正电荷的数量;随着退火时间的增加,功能恢复为突变过程, 而功耗电流的恢复为渐变过程。

为了研究1维圆柱掺杂光子晶体的滤波性质, 利用光波在1维圆柱掺杂光子晶体中径向受限的条件, 推导出光波在1维圆柱掺杂光子晶体中各个模式满足的关系式, 研究了TE波和TM波各模式的缺陷模随模式量子数和杂质光学厚度的变化规律。TE波和TM波的缺陷模频率都随模式量子数的增加而增大; 同一模式TE波和TM波的缺陷模频率都随杂质光学厚度的增加而减小。利用缺陷模随模式量子数的变化规律可以实现多通道滤波, 利用缺陷模随杂质光学厚度的变化规律可以实现调谐滤波。

为了将工业CT与快速原型直接集成, 提出了一种由工业CT切片图像直接生成快速原型层片数据的方法。首先对工业CT切片图像进行边缘提取、去噪、细化、连接和轮廓跟踪, 获取样件的内外结构轮廓点数据; 然后在相邻断层间建立轮廓匹配点对, 线性插值层间轮廓数据,以满足快速原型加工对层片厚度的要求, 并用三次B样条曲线对所有轮廓进行拟合; 最后经过轮廓数据点采样和内外轮廓判断后, 生成通用层接口文件输入快速原型系统。试验验证了该方法的有效性与正确性。

为满足小型光纤陀螺对光学器件小体积的要求, 对铌酸锂多功能集成光学小型化器件的结构做了分析和优化设计。采用BPM软件分析了Y形分支波导的S形波导损耗与弯曲长度及折射率差的关系。通过调整退火质子交换的工艺参数, 增加了波导对光的束缚能力; 降低了小型化芯片上S形波导的弯曲损耗; 去掉了原有Y形波导的输出端直波导, 直接由S形弯曲波导引至输出端, 在更短的芯片上得到了更长的弯曲过渡区。设计制作的芯片长度由常规的20 mm减至12.5 mm, 封装后的器件长度减小到20 mm, 为目前同类常规器件尺寸的2/3。设计制作的器件插入损耗典型值小于2.5 dB, 全温损耗变化量小于0.2 dB。

利用时间分辨光谱技术, 研究了激光诱导Cu等离子体中激发态4d′ 4F9/2的形成及其辐射跃迁的瞬态特性。结果表明: 电子离子复合、粒子间碰撞、自蚀吸收等过程在等离子体不同演化时刻, 对激发态4d′ 4F9/2原子的制备起着不同作用。粒子间碰撞作用剧烈时, 激发态4d′ 4F9/2原子以相同几率向低能态4p′ 4Do7/2及4p′ 4Fo9/2跃迁转移能量; 等离子体辐射约500 ns后, 粒子间相互作用变弱, 激发态4d′ 4F9/2原子主要通过辐射谱线Cu Ⅰ 359.91 nm转移能量。

通过电子、X射线混合源和X射线源打源照镁靶谱的对比实验, 论证了放射源打靶谱的测量中存在着表面效应。它除和电子打靶有关外, 也反映了靶表面的一些特性。为此, 做了放电源打源照镁靶谱随存放时间变化的实验。实验结果表明:源照镁靶表面可能存在一层阻挡层, 阻止新态氢原子向外扩散。根据打磨和未打磨源照镁靶打靶谱的对比实验, 推测靶表面的阻挡层可能是一层新态氢原子富集层。为此, 又做了镁铼靶打靶谱的对比实验, 照射打磨和未打磨镁靶打靶谱的对比实验, 根据实验结果, 估计新态氢原子富集层可能是一层以氧为核的氢原子和新态氢原子团。由此推测阻挡层是一层以氧为核的新态氢原子团组成的新态氢原子富集层。这种新态氢原子富集层产生了打靶谱测量中的表面效应。

利用钛宝石飞秒激光脉冲对单晶硅在SF6、空气和真空环境中进行了累积脉冲辐照, 研究了硅表面微结构的演化。在SF6气氛中, 在激光辐照的初始阶段, 硅表面形成了１维的波纹结构, 随着辐照脉冲数的增加, 波纹结构演化成了２维凹凸结构。累积600个脉冲后, 硅表面产生了准规则排列且具有大纵横比的锥形尖峰结构。该结构呈现高度相对较低、锥形尖端小球不明显的特征, 分析认为主要与环境气压的大小有关。对比空气、SF6和真空中的微结构发现, 尖峰的数密度依次减小; SF6中形成的尖峰高度最大, 其次为真空, 再次为空气。研究结果表明, 真空、SF6和空气３种环境下微结构的形成及表面形貌主要由激光烧蚀、化学刻蚀和氧化决定。

根据爆磁压缩发生器中导电体工作条件, 对比了电枢和含铝炸药爆轰产物作为导电体的异同, 得出几种高电导率含铝炸药爆轰产物对应的磁雷诺数, 分析了含铝炸药爆轰产物代替电枢压缩磁场的可能性。设计了一种含铝炸药爆轰产物导电式螺线型爆磁压缩发生器, 分析其运行过程, 得出等效电路模型。数值模拟结果表明:相比于电枢作为导电体的传统螺线型爆磁压缩发生器, 同体积条件下高电导率含铝炸药爆轰产物导电式爆磁压缩发生器具有更好的输出性能;该设计可以有效地抑制跳匝、电枢与定子线圈短路点接触不良等容易引起磁通损失的问题。

为修正高电压测量探头寄生参数对测量ns脉冲波形的影响, 对探头的数字补偿方法进行了研究。利用对低电压标定所得标准参考信号和探头信号做傅里叶变换, 得到其各自的频谱密度, 然后通过相除, 得到探头灵敏度与频率的关系和信号相位与频率的关系。在实测时, 再对测得信号做傅里叶变换, 将得到的频谱密度乘以探头灵敏度及信号相位对频率的函数, 通过傅里叶逆变换重建出待测信号。通过不同信号进行波形重建实验证明, 此方法能够在短时间内很好地修正高电压测量探头寄生参数对ns脉冲波形的畸变。

介绍了脉冲电场微分测量和原始波形测量的基本原理, 设计研制了一系列不同灵敏度的脉冲电场原始波形测量系统, 分析了脉冲电场探测器的理论修正模型。该测量系统主要包括天线模块、积分器模块、放大和驱动模块以及光电传输模块, 利用同轴型TEM小室对测量系统进行了时域标定。结果表明: 测量系统的前沿响应时间小于1.0 ns, 系统输出脉冲平顶在10.0 μs内下降不超过5%, 测量系统输出幅度与电场强度在20 dB的动态范围内呈线性关系, 该系列探测器可以用来测量最小10 V/m、最大100 kV/m的电场强度, 满足高空电磁脉冲标准环境的测量要求。

在采用以水介质形成线馈入直线变压器初级的技术路线来研制脉冲功率源时, 馈入方式影响着变压器的参数及电磁波的传输。运用Maxwell等软件, 从场均匀性的角度对不同馈入方式进行了模拟分析, 结果显示: 单侧馈入时, 变压器初级线圈内的电流密度分布很不均匀, 激磁电感比一般等效公式计算的结果大很多, 但对耦合系数影响微小; 四侧馈入能获得更大的场均匀性,但成本高,设备复杂;双侧馈入的方式能以较低的成本大幅提高场均匀性, 为建议采用的馈入方式。

“强光一号”短脉冲高能X射线剂量率测量, 主要包括脉冲射线总剂量与脉冲射线时间宽度的测量, 前者采用热释光剂量计测量, 后者采用PIN半导体探测器记录。根据不确定度传递数学模型, 分析了影响X射线剂量和脉冲宽度测量结果的因素。针对“强光一号”短脉冲高能X射线测量, 定量地给出了各种因素引入的测量不确定度, 总剂量测量是影响剂量率测量准确性的决定性因素, 其相对标准不确定度为25.1％, 脉冲宽度测量不确定度为3.7％, 剂量率测量扩展不确定度为50.8%, 置信概率95%。

基于时域有限差分法(FDTD)对非线性模式面结构砷化镓光导开关的热传导过程进行了数值模拟。研究了光导开关临界频率与电流丝位置、半径、数量、芯片尺寸、环境温度等参数的关系。研究表明: 临界频率随电流丝半径、数量的增加, 呈指数上升趋势; 临界频率随着电流丝深度、芯片厚度的增加, 呈指数下降趋势; 临界频率在一定范围内随环境温度的增加呈线性下降趋势。

从T模型等效电路出发, 在等效电路中磁化电感两端的电压在形成线等效电容充电到第一个峰值之前变化较小这一假设之下, 推导了电容器通过变压器对脉冲形成线充电的解析表达式, 给出了考虑回路存在电阻和杂散电感下的表达式。最后利用电路模拟来验证解析表达式, 结果表明:给出的解析表达式能够较好地分析电容器通过变压器对脉冲形成线充电过程; 在形成线充电的第一个半周期内, 解析理论得到的结果与模拟结果比较吻合, 在原边电容和形成线等效电容可比较的情况下, 从变压器耦合系数较低(不超过0.7)到耦合系数接近于1的情况都适用。