双端泵浦固体激光器模匹配问题的实验研究

实验研究了高功率双端泵浦Nb:YVO₄固体激光器的谐振腔与泵浦光束的模匹配问题.实验发现了输出功率随激光在增益介质中模半径与泵浦光斑半径之比的变化规律.在低泵浦功率ω₀/ω_p<1的条件下,激光器输出功率随ω₀/ω_p的变化不敏感.但在高泵浦功率下,输出功率随ω₀/ω_p的减小而增加.ω₀/ω_p存在一个下限,无论泵浦功率的大小,当ω₀/ω_p低于此下限时基横模消失,高阶模出现.这对于高功率端面泵浦固体激光器腔型的设计具有一定的参考价值.     

矩形波纹过模周期慢波结构色散特性及其单模工作分析

 通过数值模拟，给出了一种求解矩形波纹过模周期慢波结构TM_0n模的色散关系的简便方法；研究了周期慢波系统平均半径、波纹周期、波纹幅度等结构参数对本征模式色散特性的影响；讨论了周期慢波系统中表面波与体积波的存在条件；分析了过模周期慢波系统仍能工作在单模状态下的原因。结果表明，过模周期慢波系统中，当结构参数满足一定条件，且与束电压、束半径匹配，使电子束与TM₀₁模同步点位于π模附近，此时TM₀₁模的总场是表面波，在两种选模机制作用下系统可实现TM₀₁单模工作。     

电子束激励TM模虚阴极振荡器的分析

 从理论上对实心电子束和空心电子束激励轴向虚阴极振荡器产生高功率微波的情况进行了比较分析。通过数值计算比较了在相同的结构参数条件下输出微波功率的大小。分别讨论了在激励TM₀₁和高阶TM₀₂，TM₀₃模式时电子束半径的优化值。用KARAT软件进行粒子模拟初步验证了数值计算的结果。数值计算和粒子模拟结果均表明：要在轴向虚阴极振荡器中有效地激励TM₀₁主模式，应采用实心电子束；而空心电子束则在激励高阶TM_0n模式时，可能更为有效。     

TM610高次模圆柱谐振腔的模拟研究

 根据电磁场理论设计了S波段TM610高次模圆柱谐振腔。运用HFSS，ISFELD3D， CST-MS及MAFIA软件计算了该谐振腔中TM₆₁₀及其附近模式的电磁场分布、谐振频率及模式间隔。计算表明：TM₆₁₀模式的电磁场集中在漂移管头周围的区域，谐振腔中心处无电磁场分布。根据TM₆₁₀模式的特点，采取了在腔中心放置铁氧体微波吸收材料的方法来抑制杂模。HFSS模拟表明：腔内吸收材料可消除TM₅₁₀模式外大部分杂模的影响。采用了在主谐振腔外加耦合吸收腔的方法来抑制TM₅₁₀模式，该吸收腔基模TM₀₁₀的谐振频率等于TM₅₁₀的谐振频率。模拟表明：TM₅₁₀模式的大部分能量可以被吸收腔内的铁氧体材料衰减掉，Q值从15 604下降到571。     

高功率微波弯曲圆波导设计

 报道了可分别传输TM₀₁模和TE₀₁模的两种弯曲圆波导的设计方法和计算结果。研究表明：所设计的TM01模弯曲波导和TE₀₁模弯曲波导在中心频率上传输效率均超过99.5%,传输效率大于95%的带宽分别达到20.0%和14.4%;该两个弯曲波导也分别适用于传输TE₁₁模和TM₁₁模;水平极化TE₁₁模与TM₀₁模、垂直极化TM₁₁模与TE₀₁模在弯曲圆波导中传输时具有相似的传输效率和频带特性;而垂直极化TE₁₁模、水平极化TM₁₁模由于不易和其它模式耦合,在弯曲波导中传输时具有较高的传输效率。     

10μm数量级小尺度激光斑在等离子体中的自聚焦和谐波发射效应

本文报道10μm半径数量级单个激光斑在预形成等离子体中造成的侧向3ω₀/2谐波时空分辨特性。详细讨论了该数量级激光斑小尺度自聚成丝与3ω₀/2谐波辐射的紧密关联性。提出在低到0.05n_c低密度等离子体区域出现的侧向谐波信号可能由自聚引发的Langmuir波或离子声波散射构成。     

扩展Skyrme力的自洽半经典计算与原子核静态及Isoscalar巨共振性质

从扩展Skyrme力的HF能量密度H(r)出发,利用半经典近似下动能密度泛函τ_q[ρ_n,ρ_p]及自旋-轨道密度泛函J_q[ρ_n,ρ_p],得到了核系统的能量密度泛函H[ρ_n,ρ_p]在给定核子数条件下对此泛函作变分计算使我们确定了核的基态密度分布,由此研究了原子核的静态及isoscalar巨共振性质.所有结果同实验及HF(RPA)计算结果很好一致.     

X波段介质和金属膜片混合加载行波加速结构的传播特性计算及模型腔的有关研究

计算了X波段(f=9.37GHz)介质和金属膜片混合加载行波加速结构的TM₀₁模和HEM₁₁模的色散曲线, 结果表明HEM₁₁模的截止频率比TM₀₁模的低, 说明与盘荷波导相比, 该种新加速结构单束团的BBU效应得到改善.实验研究优选得到了适用于该种新加速结构的介质(ε_r=5.812). 采用MAFIA程序优化设计了模型腔, 测试频率与设计的数值吻合得很好.     

过模慢波结构频率反射特性及谐振腔的影响

 利用有限元方法求解:S-参数矩阵，研究了过模慢波结构对圆波导TM₀₁，TM₀₂模的反射特性，分析了在慢波结构末端加入谐振腔后，由于两端口的不对称性而造成的对反射特性影响。结果表明，在TM₀₁的π模频率附近，慢波结构和谐振腔组成的系统对无谐振腔一侧端口入射TM₀₁模的反射增大，而对有谐振腔一侧端口入射TM₀₁模的反射减小。根据计算结果，解释了普通多波切伦柯夫振荡器所用慢波结构周期数较多的原因，说明了在多波切伦柯夫振荡器中引入谐振腔后，不但可以减少所用慢波结构周期数，而且有利于提高微波输出效率。     

高Q Kerr介质腔中非关联双模相干态光场与V型三能级原子相互作用系统中光场的不等阶Y压缩效应

本文利用多模压缩态理论,研究了高QKerr介质腔中非关联双模相干态光场与V型三能级原子相互作用系统中双模光场的不等阶Y压缩效应,绘出了第一模“i(i＝1,2)”次方第二模“j(j＝2,3)”次方Y(i-j-Y)压缩度的第一正交分量(Sy_ij¹),第二正交分量(Sy_ij²)的时间演化曲线.结果表明:1)不等阶Y压缩特性强烈地依赖于Kerr介质的三阶非线性极化系数(x)和双模光场中各模的平均光子数n₁,n₂;当x<1,n₁=n₂<1时,不存在不等阶Y压缩效应;而当x＝2.5,5,10以及n₁=n₂=5,10时,光场和系统开始作用后的很短一段时间内呈现不等阶Y压缩效应.2)在x以及n₁,n₂不变的条件下,不等阶Y压缩度时间演化曲线的崩坍-复原时间随压缩阶次的升高而缩短,压缩度随压缩阶数,特别是两模幂次差的升高而迅速下降.3)在平均光子不变(即n₁=n₂恒定),但Kerr介质不同(即x变化)的条件下,不等阶Y压缩度曲线崩坍时间随Kerr介质的三阶非线性极化系数x的增加而缩短,幅度则不受Kerr介质的三阶非线性极化系数变化的影响.4)不等阶Y压缩效应的持续时间等强烈地依赖于Kerr介质的非线性程度,x越大不等阶Y压缩效应持续时间就越短.不等阶Y压缩度演化曲线正向幅度随平均光子数的增大而增大,负向幅度(压缩度)则随平均光子数的增加而减小.     

等离子体填充盘荷波导高频特性分析

从麦克斯韦方程和流体理论出发，推导了填充磁化等离子体慢波结构的基本方程.在大磁场情况下，对等离子体填充盘荷波导的色散特性和耦合阻抗作了研究，结果表明填充等离子体使色散曲线上移，耦合阻抗提高.等离子体填充产生出模式谱非常丰富的周期性低频等离子体模式(TG模式).当等离子体密度增加到一定程度后，场模TM₀₁模的频率范围和TG₀₁模的频率范围相近，两个模式互相耦合产生出新的混合模G₁,G₂.如果相对论行波管工作在混合模上，将会产生新的工作机理. 关键词： 盘荷波导 等离子体填充 色散特性 相对论行波管     

梯形波纹同轴慢波结构色散特性及其纵向谐振特性

 利用傅里叶级数展开,给出了一种求解梯形慢波结构表达式的方法。通过数值模拟,研究了级数展开次数对求解精度的影响。当级数为10阶时,线型拟合而成的结构与原结构吻合较好。利用此表达式数值求解了色散方程,得到两个最低阶模quasi-TEM模和A 模。分析了为实现电子束与quasi-TEM模的-1次空间谐波相互作用慢波结构参数所需满足的条件,并指出利用此条件下纵向电场具有表面波的特点可实现横向模式选择。采用S参数理论研究有限长慢波结构的纵向谐振特性,提出在同轴慢波器件中加入同轴引出结构可减少所需慢波结构周期数,这不但使器件结构更为紧凑,还可避免纵模竞争从而提高器件效率、稳定产生微波频率。在此基础上设计了一种L波段同轴相对论返波振荡器,采用KARAT 2.5维全电磁粒子模拟程序研究了器件内束-波作用的物理过程。模拟结果表明,该器件具有径向尺寸小、束-波作用效率高的特点。在电子束能量700 keV、电子束流11.5 kA的条件下,器件在频率1.6 GHz处获得较高的微波输出,饱和后微波的平均功率达2.60 GW,平均效率约为32.3%。     

Investigation of the Half-Circular Helical Groove Slow-Wave Structure

As a new type all-metal slow-wave structure of the millimeter wave TWT, The helical groove has a lot of advantages: large power handling capability, large sizes, high precision and moderate bandwidth. Of the helical groove structure, the half-circular helical groove can achieve wider passband than the rectangular helical groove can do. The approximate and much simple matching method of the fields of the half-circular structure is presented in this paper. The more general expressions of the dispersion characteristic and coupling impedence, in which the fast-wave modes and slow-wave modes are considered simultaneously, are obtained. It is indicated from the results of the numerical calculation that choosing suitable dimensions of the structure and suppessing the backward wave osillation, this kind of slow-wave structure can operate over 50% hot relative bandwidth.     

大气压下电晕电离层离子运动规律的实验研究

对大气压下电晕电离层的离子运动规律进行了实验研究。实验结果表明: 在电晕放电的流光或辉光放电区域, 电离电场强度、注入功率密度、电离能密度等参量对等离子体输运项的影响程度仅在1 个数量级内; 在电离能密度达到0. 4mJ•cm^{- 3} , 气体速度从1. 5m•s^{- 1} 提高到25m•s^{- 1} 时, 离子输运率相应从5. 4× 10⁸ cm^{- 3}•s^{- 1} 增加到8×10¹⁰ cm^{- 3}•s^{- 1} , 提高了近2 个数量级。带电粒子的动量对离子浓度及输运的影响远大于电离电场强度、注入功率密度等的影响。     

等离子体填充金属光子晶体慢波结构色散特性研究

等离子体填充慢波器件为高效率、高功率真空电子微波源的发展提供了新的途径, 但其仿真和理论都具有一定的难度. 本文将通过轮辐天线加载激励信号的方法引入到等离子体填充金属光子晶体慢波结构(SWS)的色散特性仿真分析中, 研究了慢波结构参数和等离子体密度对等离子体填充慢波结构色散特性的影响. 结果表明, 无等离子体填充时, 通过轮辐天线加载激励信号方式得到的色散特性与其他方法差别不大; 与已有结果对比表明, 该方法适用于等离子体填充慢波结构的分析. 为了减小轮辐天线对腔体谐振频率的影响, 需要适当减薄轮辐天线的厚度, 并尽可能缩短其与反射面之间的距离. 天线的厚度越大越能激励慢波场, 越小谐振模式越容易被激励; 慢波结构周期膜片外半径和厚度对色散特性影响不大, 周期长度和膜片内半径对色散特性影响较大; 频率和相速色散曲线随等离子体密度上升而整体向高频区移动; 等离子体填充对低频模点的影响要大于对高频模点的影响; 对于慢波器件, 需要选择高频模点工作模式, 以减少腔的尺寸并降低电子注的初速度.     

Waveguide Modes of a Warm, Transversely Drifting, Electron Plasma with a Strong Transverse Magnetic Field

The dispersion relation of TM modes with respect to the direction of the static magnetic field is derived for a waveguide filled with warm plasma which is uniaxial and drifting in the transverse direction of the guide axis. The expressions for the fields are also derived. The propagation characteristics of TM modes are studied in detail. When the drift velocity is greater than the acoustic velocity, a new branch describing the characteristics of a low-frequency propagating wave which starts at zero frequency and has at the upper limit a resonance condition is observed.     

垂直入射电磁波在大气压非平衡等离子体层中的传播特性

用数值模拟的方法对大气压非平衡等离子体薄层中，不同的电子密度分布对微波反射、吸收和透射的影响进行了研究。所采用的理论分析方法是分层模型和镶嵌不变原理。计算中考虑了微波在子层间的多次反射和吸收。数值结果表明，对于电磁波的吸收来说，等离子体中具有二次分布的电子密度，其效果要高于线性分布10%左右；而对于反射来说，线性分布效率更高。功率反射系数随波长的增大而增大，功率吸收系数A也不是单调的，当电子密度不变时，A存在一个峰值，随着电磁波波长的增加而增加，达到最大值后，缓慢降低。     

基于新型超低频拉曼光谱的液态水分子高温研究

液态水是地球上大多数生化过程的化学支柱,对生物的新陈代谢是必不可少的。因此,它是一个跨科学领域的关键课题。水的理化特性被认为是氢键衍生结构的结果。然而,目前还很难在实验上定量地将水分子的理化特性与氢键结构联系起来形成完整的液态水分子结构理论。拉曼光谱因其快速、无损等优点成为表征液态水分子结构及其变化规律的主要手段。目前,水分子的拉曼光谱主要研究的是其高频振动模。然而,液态水较宽的低频拉曼模是氢键及其局部结构效应的结果,包含高频峰无法表征的特征信息,而超低频拉曼特征峰仍能在高温下揭示水分子（超）结构的许多关键细节。因此,在实验上实现对水分子的新型高温超低频拉曼光谱（5～200 cm-1频率区域）,探测得到理论预测的全部四种平动特征模,包括弯曲模（51.7 cm-1）、扭转模（81.4 cm-1）、对称（154.0 cm-1）和不对称拉伸模（188.6 cm-1）,并在225.2 cm-1处额外发现了平动-旋转耦合特征模。所有特征模都被精确指认。高温超低频拉曼光谱实验发现,首先在特征峰频率上,由于高温下氢键断裂导致水分子间的平均结构关联长度（SLG）迅速缩短,当温度从0 ℃升高到400 ℃,所有四种超低频特征模的频率都随温度升高而大幅蓝移。其次在特征峰强度上,拉伸模的强度在100和200 ℃间出现明显降低。而弯曲模的强度随着拉伸模频率从高频率到低频率依次升高,这是理论研究从未涉及的。最后在斯托克斯/反斯托克斯比值（R_S/AS）上,温度在150～170 ℃时（压强约为2 kbar）,R_S/AS迅速从1.1增加到1.3;当温度高于170 ℃时,R_S/AS随温度线性变化。综上所述,通过对水分子各共振模的频率蓝移、强度变化,以及斯托克斯/反斯托克斯比值等特征进行细致研究,得到温度对水分子结构,尤其是氢键衍生特性的影响。该新型高温超低频拉曼光谱方法,填补了部分理论空白,为深入全面地理解水分子结构提供了重要的实验依据。     

A novel overmoded slow-wave high-power microwave (HPM) Generator

We present the design and experimental results of a novel overmoded slow-wave high-power microwave (HPM) generator that is featured by its compactness, low-operation magnetic field, and potentially high power and high efficiency. The device includes two slow-wave structure (SWS) sections, a resonant cavity, and a tapered waveguide. The resonant cavity was well designed and was used to achieve the axial mode selection and to decrease the length of the SWS sections. The radial mode selection is achieved using the property of "surface wave" of the device to excite the TM/sub 01/ mode while making the higher TM/sub 0n/ modes unexcited. The physical mechanisms of axial and radial mode selections ensure that the microwave is produced with a single mode and a narrow band. The feasibility of low magnetic field operation is also investigated based on the characteristics of the overmoded slow-wave devices. Experiments were carried out at the Spark-2 accelerator. At diode voltage of 474 kV, beam current of 5.2 kA, and guiding magnetic field strength of 0.6 T, a microwave was generated with power of 510 MW, mode of TM/sub 01/, and frequency of 9.54 GHz. The relative half width of the frequency spectrum is /spl Delta/f/f= 0.6%, and the beam-to-microwave efficiency is about 21% in our experiment.     

高功率微波TM0n混合模式转换方法

针对现有基于特定模式成分所设计的高功率mTM0n-TEM/TM01混合模式转换器的工作原理,提出了一种大过模比结构下高功率TM0n混合模式的转换方法,可以实现将状态相对稳定且成分已知的GW量级任意模式成分比例、任意相位差的高功率TM0n混合模式微波高效转换为单一的TEM模或TM01模。利用该设计原则对之前所设计的高功率TM0n混合模式转换器进行优化改进,在保留了原有器件功率容量和频带特性的同时,大幅简化器件设计结构。