传输线方程的高精度龙格−库塔数值求解方法

提出了一种求解传输线方程的高精度龙格-库塔（RK）方法。此方法在空间上采取高阶泰勒展开,提高了对空间微分的近似精度,减少了数值色散所带来的误差。与传统的时域有限差分法（FDTD）方法相比,在每波长采样数相同时,RK方法的计算精度更高。同时,根据Taylor模型,对外界平面波激励源进行离散,成功利用RK方法对外部场激励传输线进行求解,扩大了龙格−库塔方法在求解传输线方程时的应用范围。通过编程对平面波辐照下无限大地平面上的单导体与双导体的算例分别应用FDTD方法与RK方法进行了计算,验证了RK方法的正确性。结果表明同等计算条件下RK方法的计算精度更高。     

采用组合引导磁场的多注二极管设计

分析了采用单一同轴磁场时强流相对论多注阴极的侧端发射问题,研究了在不同磁场内半径和多注漂移管长度情况下多注电子束的传输效率。研究发现：由于引导磁场尺寸有限,高压下多注阴极杆及多注阴极柱的电子束发射是影响多注电子束传输效率的主要因素,且该部分电子束对多注漂移管入口管壁的轰击直接影响了多注速调管的重频能力。设计了采用永磁铁和同轴磁场组合工作的强流相对论多注二极管,理论分析和模拟计算证明：基于组合磁场的多注二极管可明显减弱甚至抑制多注阴极发射球头以外的电子束发射,并且组合磁场的磁场位形和强度可满足强流相对论多注电子束的高效、稳定传输。

     

平顶飞秒激光经圆锥透镜在熔融石英中成丝及超连续辐射

实验研究了平顶飞秒激光经圆锥透镜后在熔融石英中的成丝及超连续辐射.与高斯飞秒激光的成丝对比发现,平顶飞秒激光可以获得在圆锥透镜焦深区域内强度分布更为均匀的等离子体细丝,这一特征更有利于飞秒激光在固体介质中进行微纳加工等领域的应用.并且,在不损伤熔融石英的条件下,平顶飞秒激光成丝可以获得更高能量、更高转换效率的超连续辐射,这是因为若产生光强相近的细丝,平顶飞秒激光所需的初始激光能量更高,此激光能量下产生的细丝长度更长、均匀性更好.     

双稳态结构中的1/2次谐波共振及其对隔振特性的影响

以典型的双稳态系统——屈曲梁结构为例,基于等效模型,结合解析、数值和实验手段,研究了双稳态结构中的1/2次谐波共振特性、演化过程、参数调节规律及其对隔振特性的影响.研究发现,当非线性刚度系数或激励幅值增加到一定程度时,系统会在一定带宽下产生显著的1/2次谐波共振;随着激励幅值增加,阻尼系统的1/2次谐波遵循“产生-增强-衰退-消失”的过程,该过程对峰值频率和峰值传递率有重要影响;适当提高非线性强度能有效改善双稳态结构隔振特性.针对双稳态屈曲梁结构开展的实验验证了1/2次谐波特性和隔振特性变化规律.     

基于四波混频过程和线性分束器产生四组份纠缠

多组份纠缠是量子信息处理的重要资源,它的产生通常涉及到许多复杂的线性和非线性过程.本文从理论上提出了一种利用两个独立的四波混频过程和线性分束器产生真正的四组份纠缠的方案,其中,线性分束器的作用是将两个独立的四波混频过程联系起来.首先应用部分转置正定判据研究了强度增益对四组份纠缠的影响,结果表明,在整个增益区域内都存在真正的四组份纠缠,并且随着强度增益的增加,纠缠也在增强.然后研究了线性分束器的透射率对四组份纠缠的影响,发现只要线性分束器的透射率不为0或1,该系统也可以产生真正的四组份纠缠.最后,通过研究该系统可能存在的三组份纠缠和两组份纠缠来揭示该系统的纠缠结构.本文理论结果为实验上利用原子系综四波混频过程产生真正的四组份纠缠提供了可靠的方案.     

基于EKF的水下LD通信精对准控制算法

高速激光通信中接收机与光斑中心很难处于精对准状态,导致水下光通信链路难以稳定建立.首先采用蒙特卡洛仿真统计法分析激光光子在海水中传输的接收光强分布规律,再通过实验对接收端的光斑图像进行采样分析,利用曲线拟合得到接收器位置与接收光强的关系.仿真与实验结果表明:光束经过25 m的水下传输,接收光强分布仍近似为高斯分布.采用非线性估计算法(扩展卡尔曼滤波)与基本状态控制反馈理论,根据接收光强度估计接收器当前位置与最大光强处的距离,通过反馈算法实现接收端与光斑中心的主动跟踪对准.算法仿真结果显示,接收端对准误差在2 mm以下,稳定后接收效率超过98%.     

G波段500 W带状注扩展互作用速调管设计研究

针对太赫兹频段实现高功率面临物理机制上的难题,设计了一个G波段带状注速调管,展示了基于非相对论带状电子注和扩展互作用技术所能达到的功率水平以及影响性能的物理因素。文中设计基于电压24.5 kV、电流0.6 A,1 mm×0.15 mm的椭圆电子注,以及与之相匹配的互作用系统,即横向过尺寸哑铃型多间隙谐振腔,可以实现高功率和高增益。三维PIC仿真结果显示,在考虑实际腔体损耗的情况下,能够获得超过500 W的功率,电子效率和增益分别达到3.65%和38.2 dB。研究发现,输出功率和效率的提升很大程度上受到多间隙腔模式稳定性以及电路欧姆损耗的制约;输出腔的欧姆损耗对输出功率影响尤为显著,工程设计需要特别考虑。本文的研究为高频段带状注扩展互作用器件的研发打下了良好的基础。     

氢原子束在大气长程传输中的剥离效应

考虑到中性粒子束对近地轨道太空垃圾的清理作用以及在太空探索中的潜在应用前景,研究了中性粒子束在亚轨道空间长程传输过程中影响束流能量和密度损失的主要物理机制,重点分析了剥离效应对束流损耗的影响。中性束剥离效应包括束流粒子之间碰撞导致的自剥离效应和其与大气粒子碰撞导致的剥离效应。以束密度随传播距离变化的方程为基础,通过引用几何因子来表征束流的自剥离效应强度,建立了剥离效应机制下束流的传输模型,由此评估了束流自剥离效应在中性束长程传输中对传输距离的影响关系。研究结果表明,在固定的高度,当中性束密度大于空气粒子密度时,自剥离效应的影响将非常突出,随着传输高度的升高,即使束密度和空气密度同时降低维持量级一致,自剥离效应对传输距离的影响在大几何因子的情况下仍会增强。     

基于锥面衍射实现高效率双光栅光谱合成

分析了基于锥面衍射的双光栅光谱合成系统的可行性,设计了激光入射角为Littrow角附近的双多层介质膜（MLD）光栅光谱合成系统,开展了两路合成实验。当入射极角等于自准直入射角,入射方位角为6°时,光栅衍射效率近似等于光束自准直入射时的衍射效率。基于锥面衍射原理,对中心波长为1050.24 nm和1064.33 nm的两束光纤激光子束进行合成,入射极角为43.99°,测得合成效率为92.9%,较基于非锥面衍射的双光栅光谱合成系统的合成效率提高了8.8%;测得合成光斑光束质量M_x²＝1.204,M_y²＝1.467,与基于非锥面衍射的双光栅光谱合成系统输出光斑光束质量基本一致。     

Broadband high-efficiency controllable asymmetric propagation by pentamode acoustic metasurface

We utilise the pentamode metasurface to realise broadband high-efficiency and controllable asymmetric transmission. The designed metasurface can manipulate the acoustic waves, as expected from the generalised Snell's law, and exhibits unique characteristics such as extraordinary broadband acoustic control, apparent negative refraction, and conversion from the propagating wave to surface mode. The asymmetric transmission features of positive refraction for the forward incidence (FI) and negative refraction for the reverse incidence (RI) can be realised within the range of 2600 Hz to 5600 Hz by controlling the incident angle from 0° to 35° with the transmission efficiency higher than 85.4% for the FI and RI. In addition, by further adjusting the angle of incidence in the range of 25° to 90°, asymmetric transmission characteristics can be expressed as surface wave transmission for the FI and transmitted wave transmission for the RI within the same frequency ranges.