强激光与粒子束杂志

强激光与粒子束杂志2023年第10期

• 强激光加载下金属材料微喷诊断实验研究进展

  王洪建, 冯永祯, 罗笔瀚, 张绍军, 马毓, 刘吉祥, 刘红杰,

  强激光加载下金属材料产生的微喷射现象及其内在的机理分析是冲击压缩科学与工程领域研究的前沿问题，相关研究对于认识材料在极端载荷条件下的动力学行为具有重要意义。近年来国内外科学家们基于各大激光装置开展了大量微喷射诊断实验研究，在喷射物性质、金属界面不稳定性增长以及微喷混合问题等方面取得了一系列重要进展。通过回顾微喷静态和动态诊断实验的研究历程，对微喷诊断实验研究方法的重要应用作了详细介绍，同时对微喷产生的主要作用机制、影响因素以及微喷混合等问题进行回顾、梳理和总结。根据当前国内外微喷诊断实验发展趋势，归纳总结目前微喷诊断实验研究结果中仍存在的不足，并对微喷射实验研究未来发展方向进行展望。

• 基于多模光纤的时空锁模激光器的研究进展

  张慧聪, 万璐, 周涛,

  介绍了时空锁模的基本原理和时空锁模的理论模型−吸引子解剖。从空间结构和全光纤结构两方面介绍了近年来国内外在时空锁模光纤激光器方面的研究进展，包括激光腔型的改进、输出性能的提升和实时动力学的观测等。最后分析了目前时空锁模激光器的优势和不足，并对其发展方向进行了展望：时空锁模激光器在产生高功率超短脉冲方面有着巨大的优势，但输出光斑质量差在一定程度上限制了它的实际应用；利用时空自相似演化、波前整形等技术提升光束质量将是未来时空锁模激光器的发展方向。

• 集成超表面模式转换的全光纤柱矢量MOPA激光器

  刘世鑫, 彭万敬, 冯昱俊, 刘航, 施鑫磊, 孙殷宏, 马毅, 赵智刚, 高清松, 刘兆军, 唐淳,

  柱矢量光束因其独特的偏振分布特性而在光镊、高分辨率成像、遥感、等离子体聚焦等领域发挥着重要作用。为实现全光纤高功率柱矢量MOPA激光器，采用自主设计基于集成超表面的模式转换光纤器件，进行了理论分析与实验验证。自主设计集成超表面的模式转换光纤器件可直接稳定输出数瓦功率的径向偏振柱矢量种子光，且输出模式纯度可达95%以上。实验中通过降低弯曲损耗并对模式进行控制，获得了单级放大输出功率为52.2 W的径向偏振柱矢量光稳定输出，且模式光场分布在输出功率增加过程中并未出现明显变化。为进一步分析输出的模式特性，采用旋转检偏器的方法检测输出光的偏振特性及偏振纯度，并利用非相干模式叠加方法计算了输出的径向偏振柱矢量光的模式纯度。结果表明，集成超表面模式转换的全光纤柱矢量MOPA激光器在最大输出功率情况下，输出光的偏振纯度约为95.2%，模式纯度约为94%，验证了该全光纤方案的可行性。

• 一种激光束照射复杂目标图像实时生成新方法

  张玉双, 王锐, 苏华, 张飞舟, 谢晓钢,

  针对激光雷达探测中复杂目标姿态获取困难、目标与光斑真实耦合情况难获取等问题，提出了一种基于GPU编程的激光束照射复杂目标图像实时生成新方法。基于现代图形硬件的GPU编程技术和帧缓存对象特性，该算法以每个平面光源矩阵为观察者，在光源空间坐标系中渲染当前场景并将渲染结果记录到内存纹理中，然后在世界坐标中将光源观察到的结果复原和映射到模型上，可以实现实时映射渲染。采用深度缓存原理、纹理映射原理和OSG文件读写插件，即可正确获取模型每个三角面片顶点上的光源辐照度、顶点位置及面片法线等信息。经测试，该算法普适性强、能够读取多种格式三维文件，适应于均匀或非均匀面光源，对系统图形硬件的要求很低，能够满足两个面光源准实时性计算需求，可以准实时得到模型被照射面片所属部件、被照射三角面片顶点、法线信息以及三角面片顶点接收到的辐照强度值。该算法可为激光照明、识别探测等提供参考和依据。

• 完美涡旋光束在大气湍流中的斜程传输特性

  汪航, 汪玉琴, 张蓉竹,

  完美涡旋（POV）光束具有光束半径与拓扑荷数无关的特点，与其他涡旋光束相比具有更加稳定的空间强度分布特性。利用多相位屏法和傅里叶变换法，分析了POV光束在大气湍流中的斜程传输特性。采用光束漂移和孔径平均闪烁指数作为大气湍流影响光束质量的评价参数，对比了POV光束与高斯涡旋光束在相同传输条件下的光束质量。结果表明：相比于高斯涡旋光束，POV光束的光束稳定性更好。当拓扑荷数增大或天顶角减小时，POV光束抵抗大气湍流的能力增强。在不改变POV光束拓扑荷数的前提下增大其光束半径，也能提高POV光束对大气湍流的抵抗能力。

• 激光真空传输通道及光学舱应力补偿技术

  鲜玉强, 陈永亮, 刘雪婷, 钟强, 崔鼎,

  介绍了真空通道应力补偿结构的基本工作原理；研究了大温差环境下，激光束长距离真空传输通道的真空负压应力和热胀冷缩应力的自适应补偿技术和光学舱结构变形抑制技术；在整个光学系统上，开展了现场安装调试和真空负压应力考核，并进行环境温差变化情况下的光路传输稳定性试验验证。试验结果表明：解决了超长激光束真空传输通道在真空负压和大温差环境下的真空负压应力和热胀冷缩应力的自适应补偿问题和光学舱结构变形抑制问题；实现了传输通道真空负压应力自动平衡；消除了真空负压应力造成的光束漂移；实现了大温差环境下的真空负压通道结构热胀冷缩应力的自由释放；达到了光路长时间保持稳定的实际效果。

• 抗拉可压型压电陶瓷性能测试及疲劳试验

  李国会, 李国荣, 徐宏来, 张秋实, 杜应磊, 时雪, 向振佼, 吴晶,

  压电陶瓷是自适应光学系统中的核心器件变形镜的主要作动元件，其性能的好坏直接影响变形镜甚至自适应光学系统校正能力。开展了加载电压为±350 V、外形尺寸为5 mm×5 mm×38 mm的抗拉可压型压电陶瓷的性能测试，包括位移、迟滞、电容、阻抗和热膨胀系数等，对压电陶瓷的抗拉能力进行了考核，获得三个样品抗拉能力均大于250 N。采用疲劳测试仪对同批次生产的压电陶瓷进行疲劳试验，在此过程中获得了压电陶瓷的压电效应并对试验数据进行了分析，最后对5#样品进行了1 000万次疲劳试验（±150 N@5 Hz正弦载荷），试验后压电陶瓷的位移减小约5%，其他指标变化较小。通过抗拉能力测试和疲劳试验，初步考核了该型压电陶瓷的抗拉压特性和疲劳特性以及压电陶瓷的使用寿命，为变形镜的研制提供一定的数据支撑。

• 基于高精度3D打印工艺的ICF调制靶

  林祖德, 戴羽, 徐梦飞, 曹佳炜, 郑坤宇, 魏宁, 韩良智, 王晓林, 刘景全,

  惯性约束聚变（ICF）中的瑞利-泰勒不稳定性（RTI）研究需要基于多种结构的调制靶，针对目前调制靶制备的工艺问题，采用双光子3D打印工艺制备了平面调制、平面复合调制及球壳型调制三种典型结构的调制靶，靶材料为光敏树脂（95%：C23H38N2O8，5%：C4H6O2）。采用激光共聚焦显微成像分析了三种调制靶的实际结构参数，三种靶型的实测形貌及其参数与设计结构及参数具有良好匹配度。为进一步验证双光子3D打印新型工艺制备调制靶的可行性，实验团队在“神光Ⅱ”高功率激光实验装置上进行了纳秒激光打靶实验，结果显示靶表面的调制在激光直接驱动下受RTI的作用随时间呈增长趋势，初始峰谷值为4 μm的调制在激光驱动2.5 ns后形成了长度达100 μm的高密度射流，表明基于高精度3D打印工艺制备结构复杂的调制靶用于RTI研究具有较高可行性。

• 基于紧凑型微带谐振单元的大功率高效率小型化功率放大器

  刘畅,

  介绍了大功率高效率功率放大器（功放）在实际设计时面临的晶体管寄生效应问题，并通过引入晶体管封装寄生模型对本征端阻抗进行等效迁移，进而提高了输出匹配网络设计的便捷性。提出一种基于紧凑型微带谐振单元的电路设计方法及其传输线拓扑结构，其中，紧凑型微带谐振单元的作用是提供功放在三次谐波所需的开路点，从而通过调谐传输线满足相应阻抗条件。其优点还包括：基波频率下插入损耗低、效率高；实际物理尺寸小，可满足小型化需求。为了更好地验证上述理论，基于10 W GaN HEMT CGH40010F晶体管和大功率高效率E/F开关类功放在2.2 GHz的工作频率下进行了具体的电路设计。仿真结果表明，该款功放的最大功率附加效率可达78.4%，最大输出功率可达40.1 dBm，功率增益为12.1 dB。

• C/X双频双圆极化共口径微带天线设计

  姚代波, 杨旋, 郭庆功,

  设计实现了一款C/X双频双圆极化共口径微带天线，在C/X频段均能以双圆极化方式工作，有效提高了天线的口径利用率。采用寄生结构和L型探针耦合馈电拓展了天线的阻抗带宽；以嵌套方式将X波段天线置于C波段天线的间隙处实现了共口径设计；通过对称反相馈电技术实现了良好的交叉极化比。测试结果表明，C波段的阻抗带宽和3 dB轴比带宽分别大于23%和17%；X波段的阻抗带宽和3 dB轴比带宽分别大于28%和18%；测试频点处的交叉极化比均大于25 dB。

• 用于5G移动设备的双频双圆极化毫米波天线设计

  杨旋, 姚代波, 杨承坤, 郭庆功,

  设计实现了一种宽带双频双圆极化的毫米波单馈天线，天线同时在n257（26.5～29.5 GHz）、n260（37.0～40.0 GHz）波段工作。与传统的圆极化天线相比，天线采用上下堆叠的不规则贴片实现了双频双圆极化，提高了信号收发隔离度；通过增加弯曲的寄生贴片，天线拓展了圆极化轴比带宽；金属边框上的矩形缝隙用来改善天线增益和带宽。测试结果表明，天线低频和高频的相对阻抗（<−10 dB）带宽分别达到20.4%和17.0%，相对轴比（<3 dB）带宽分别达到14.9%和11.4%。天线带宽覆盖n257、n260波段，可以用于5G移动设备与低轨卫星的通信。

• 时分复用射频前端高功率微波波形响应

  张泽海, 周扬, 张洋, 阳福香, 葛行军, 贺军涛,

  为研究系统级射频设备高功率微波前门效应，采用注入法对某4G基站的滤波器、环形器、低噪放及功放构成的射频前端进行实验研究。结果表明，高功率微波脉冲上升沿和下降沿被射频前端滤波器强烈反射，脉冲平顶段反射很小。反射波形在上升沿及下降沿呈尖峰、在脉冲中部呈平底，显示高功率微波陡峭的上升沿和下降沿包含的丰富的滤波器带外频率成分被反射，导致通过滤波器的脉冲头尾被削弱。经滤波器后，高功率微波脉冲可由环行器进入上行通道低噪放，进而被反射，环行进入下行通道功率放大器，被再次反射，再环行从注入口输出。实验中监测到了经两次反射环行的高功率微波脉冲。说明在高功率脉冲条件下，原本由环形器隔离的下行通道功率放大器同样会承受上行通道进入的高功率微波脉冲损伤的风险。

• 锦屏深地强流离子源控制系统的研制

  王鹏鹏, 张玮, 武启, 安石, 岳敏, 常建军, 安敬蕊,

  对锦屏深地核天体物理实验JUNA（Jinping Underground laboratory for Nuclear Astro-physics）离子源控制系统进行了研究，采用分布式系统模型构建。硬件采用PLC、串口服务器、伺服电机及工控机等部件实现了离子源设备的远程监测及控制。软件通过建立EPICS IOC运行时数据库，实现了对所有被控设备的集成。用户操作界面采用CSS（Control System Studio）开发，实现了操作人员对所有被控设备的透明访问。基于安全连锁规则设计了机器保护系统，实现了运行异常下的连锁保护。该控制系统应用于国内首套深地实验强流ECR离子源，运行稳定可靠，完全满足JUNA运行及物理实验的需求。

• 基于机器学习的地球静止轨道质子能谱反演

  陈建飞, 周宏涛, 方美华, 吴康, 宋定一,

  根据地面中子探测与宇宙线环境之间的关联性，在太阳活动平静期以地球静止环境业务卫星及全球各个中子探测站的探测数据构建数据集。基于极端梯度提升决策树（XGBoost）和人工神经网络建立了由地面中子探测数据反演宇宙线质子环境的模型。模型采用遗传算法求解模型的最优超参数并对神经网络的各个神经元参数进行训练，实现了宇宙线质子环境在太阳活动平静期的反演，模型训练的均方差MSE为0.499，对测试集的平均反演误差分别为26.9%，对比航天常用的辐射环境模型误差通常在200%以内，提高显著。同时使用包括支持向量回归、误差反向传播算法、长短期记忆在内的多种其他机器学习算法进行了对比，结果表明本文所建立的模型具有训练时间短、计算速度快、占用资源小的优点。

• 7075铝合金的Fe11+离子辐照损伤研究

  郭义盼, 苏洋帆, 张同林, 常浩刚, 王溪源,

  7075铝合金因其优异的各项性能，作为结构部件，广泛应用于航天领域中。航天器空间环境中存在各种辐射粒子，这些粒子会对航天器材料产生不同程度的辐照损伤，对其可靠性构成了巨大的威胁，甚至会导致航天任务失败。通过选取不同剂量下3 MeV的Fe11+离子辐照7075铝合金，采用XRD、AFM和纳米压痕等测试手段对7075铝合金的辐照损伤进行了研究，分析了辐照前后7075铝合金的微观组织、表面形貌和硬度的变化。结果显示，离子辐照后的7075铝合金未形成新的相，且结构保持完整，表明其具有一定的抗辐照性能。同时，观察表面发现了由级联碰撞演化及表面缺陷扩散导致的山峰状突起，且样品表面粗糙度和突起的分布密度随剂量增加呈先增加后减小的趋势。另外，纳米压痕测试表明，辐照后样品硬度增加，且随剂量增加，硬度逐渐趋于饱和，经分析可知，样品产生辐照硬化是由于辐照缺陷阻碍了位错的滑移导致。

• 医用重离子回旋加速器径向探针系统

  李敏, 李维龙, 康新才, 陈玉聪, 毛瑞士, 赵铁成, 冯永春, 周凯, 董金梅, 宋海宏,

  武威和兰州重离子加速器使用回旋加速器作为其注入器。回旋加速器为该装置的同步加速器提供10 µA的碳离子束流以满足其物理需求。而径向探针则是安装在回旋加速器内部实现束流流强和圈图测量的重要束诊元件。径向靶头上的束流信息经前端电子学拾取后会进一步进入数据采集系统，最终实现回旋加速器的束流流强和圈图测试。其中，径向探针的前端电子学采用皮安表，数据采集系统基于实时操作系统和FPGA技术。介绍了径向探针的机械结构设计，并分析了探头有无水冷结构的热结构；描述了控制系统软硬件架构，可以实现10 kHz的数据和位置信息的同步采集。最后，还介绍了探针机械和控制系统的实验室测试和验收标准以及在束测量结果。

• 基于贝叶斯优化的高能质子空间传输精确控制

  申诗雨, 杨晓虎, 张国博, 赵子琦, 马燕云,

  综合考虑地磁场、高能质子的相对论效应以及同步辐射的影响，建立了质子在空间传输的单粒子运动模型。基于该模型，提出利用贝叶斯优化方法，实现给定质子能量下，质子从空间初始点传输到目标点的精确控制方法，获得了出射方向随出射位置的变化规律，当位置径向角取0°和180°时，位置轴向角的取值不会改变粒子的最优出射方向。研究结果为质子束在空间环境中的长程传输提供理论支撑。

• 基于投影融合的多层球壳双能CT算法研究

  夏惊涛, 盛亮, 黑东炜, 唐波, 陈俊, 魏福利, 马戈, 罗剑辉,

  对高密度差多层球壳结构件进行双能CT检测，需要研究同时基于高低能射线两套投影数据的图像重建方法。先分别重建再进行图像融合的方法，不能充分利用两种能量射线投影的互补信息，重建图像质量不高。针对高密度差多层球壳结构特征，通过设计限定投影扫描方式获取区域分布明确的高、低能射线投影正弦图，基于正弦图区域分割重组和交集数据等值化一致性处理实现双能投影数据融合，在此基础上完成图像重建。根据以上设计归纳出基于投影融合的多层球壳双能CT重建算法，仿真结果表明算法可行，且重建结果明显好于基于图像融合的方法。

• 一种改进型螺旋发生器研究

  孙晶晶, 杨双, 孙艺杰, 张瀚文, 于瑞鑫, 高景明, 杨汉武,

  研究了一种改进型螺旋发生器，以解决传统结构螺旋发生器在匝数较多时输出电压波形第二峰值大于第一峰值和输入开关的峰值电流及其电流上升率较大的问题，并进行了数值仿真和实验验证，仿真结果与实验结果基本吻合。通过电磁场分析波传输过程发现：改进型结构增加的一圈会造成额外的反射，使各层间电压同向叠加的时刻发生改变，从而降低了后续更高峰值的振荡。最终研制了一台改进型螺旋发生器，在15 pF的高压电容负载上可产生第一峰值51 kV、前沿50 ns的输出电压波形，整个发生器体积小于0.5 L。之后该改进型螺旋发生器将结合半导体开关实现高压纳秒脉冲触发器的全固态设计。

• 非线性传输线在DSRD脉冲电源中的应用

  史晓蕾, 陈锦晖, 王冠文, 王磊, 刘鹏,

  加速器技术的发展，对注入引出系统的kicker脉冲电源提出了新的技术要求。注入引出系统冲击磁铁不仅要求脉冲电压高，底宽达到ns量级，还对波形的稳定性和前后残余电压有很高要求。漂移阶跃恢复二极管（DSRD）因其速度快、工作电流大等优点，在ns级脉冲电源中应用前景广泛，但其工作过程中会存在预脉冲等使脉冲波形偏离理想形态的因素。基于一种已有的DSRD脉冲电源，使用非线性传输线对脉冲进行整形，同时对脉冲的前后边沿进行锐化，缩短脉冲边沿的时间，大幅减小脉冲前后的残余电压，提高电源的性能。完成了一台电源样机的设计和实验，实验结果表明，该样机在50 Ω负载上产生的脉冲幅值约10 kV，前后边沿时间（10%~90%）约2 ns，底宽（3%~3%）小于8 ns。

• 钛酸锂电池在脉冲高能激光系统中的适用性研究

  任亚辉, 林菊平, 李轶国, 童勇,

  为了评估钛酸锂电池在脉冲高能激光系统中的适用性，主要基于储能介质的放电能力和安全性应用特点，概述了脉冲高能激光系统对初级储能装置的需求条件，通过类比和理论计算分析了常用储能介质的适用性，并通过放电性能试验和安全性试验验证了钛酸锂电池的工程应用可行性。结果表明，钛酸锂电池具备较高的放电能力和很高的安全性，能够满足脉冲高能激光系统的应用需求，具备推广条件。

• 触发区域宽度对砷化镓光导开关输出特性影响

  陈红, 韦金红, 曾凡正, 贾成林, 付泽斌, 李嵩, 钱宝良,

  基于TCAD数值仿真软件，建立了异面结构砷化镓光导开关（GaAs PCSS）的二维数值计算模型，研究了触发区域宽度对GaAs PCSS输出特性影响。首先分析了PCSS的瞬态导通特性，结果表明，急剧增加的载流子浓度与快速演化的空间电离畴使PCSS工作在超快速导通模式。基于此，研究了触发区域宽度对PCSS输出特性影响，结果表明，宽度变大会促进载流子密度急剧倍增和雪崩电离畴的快速演化，缩短PCSS的延迟时间和导通时间。研究分析了不同触发位置对延迟时间与导通时间影响，结果表明，阴极触发的延迟时间明显低于阳极触发，而导通时间受触发位置的影响不显著。

• 严重事故下堆舱空间氢气分布特性数值模拟

  许志勇, 刘家磊, 陈玉清, 王海峰,

  利用计算流体力学软件CFX分析了零方程模型和k-ε模型对氢气分布的影响，并对船用堆在典型失水诱发的严重事故下堆舱空间内的氢气分布特性进行了数值模拟。结果表明：在氢气释放阶段内，用k-ε模型模拟堆舱空间内的氢气分布更为合理；严重事故下的气体喷放期间，堆舱空间内各点处的压力变化基本一致，空间内的温度不会持续升高，氢气在堆舱空间内建立了比较明显的浓度梯度，堆舱顶部区域和破口附近区域氢气浓度都较高；氢气喷放结束后，堆舱空间内的平均水蒸气浓度不足以维持蒸汽惰性环境，堆舱空间内存在氢气燃烧的可能。研究结果为开展船用堆的氢气风险研究提供了基础。

• 无氧铜表面处理在束流准直器中的应用

  余洁冰, 谭彪, 康玲, 刘磊, 王鹏程, 翁旭东, 陈佳鑫, 聂小军, 王广源, 王明, 宁常军, 刘仁洪, 张俊嵩, 于永积,

  束流准直器作为加速器的关键部件，用于吸收不在预定轨道的束晕粒子。因良好的电导率和良好的准直效率，铜被广泛应用于准直器中作为挡块材料。通常，挡块位于超高真空环境中，承受高功率束流载荷冲击，其不同表面处理工艺直接影响传热性能及放气率。为评估无氧铜表面处理工艺对相关性能的影响，分别对其进行表面化学腐蚀发黑处理、高温氧化处理以及仅机械加工处理，结果表明：无氧铜表面发黑处理后，其热辐射系数明显增加，同时也伴随着放气率的明显增加；而通过高温氧化处理后的铜块，其表面热辐射系数与仅机械加工后的铜块差异不大，放气率有一定程度的增加。以散裂中子源二期项目中的动量准直器为研究对象，在一定的束流载荷作用下，挡块选用发黑无氧铜，可将其最高温度控制在125 ℃以下，同时增加两台离子泵可使该准直器所在区域真空度满足运行要求。