波导管与谐振腔的边界条件

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1、第 !“ 卷第 # 期大学物理$%#）摘要： 阐述齐次边界条件 !“;)! （!“)） “#“)“:波导管、 谐振腔内的电磁波解， 均在腔壁或管壁为理想导体的简化条件下得出由于理想导体内 !导4:?（9A5BCD9:C 6E FGH48H， I94J4:? 26BD5K L:4M9BH4CG， I94J4:?， #“,)*， NF4:5）4$3.*),.： /F9 4DA6BC5:C EO:8C46: 6E CF9 F6D6?9:96OH P6O:Q5BG 86:Q4C46:H “%! “ 5:Q $#! “ 4: H6KOC46:9K98CB6D5?:9C48 E49KQ 6E R5M9?O

2、4Q9H 5:Q 85M4CG B9H6:5C6BH 4H A64:C9Q 6OC对光束的近、远场进行计算 ，得到光束的近、远场分布随环向模阶数变化的情况。3.完成全金属环状波导激光器的整体设计。应用AutoCAD完成激光器结构的设计，绘制了器件的装配图、零件图；根据激光器在工作的 不同阶段的受力情况，结合现行的压力容器规范，并应用ANSYS有限元分析系统成功求解了激光器构件在不同阶段的应力、应变，求证了理 论设计的正确性;针对激光器的结构特点完成光学参数的设计；应用Protel完成激光器电源的设计、仿真。4.对激光器件的制作工艺进行简单的讨论；通过实验获取激光工作气体各个组分的比例、总气压等

3、一些最佳参数。5.对按增益体积缩放全金属环状波导CO2激光器研制过程中存在的问题进行简单的分析，并提出了改进方案。本课题得到福建省自然科学基金项目资助(项目编号：A0210007)、医学光电科学与技术教育部重点实验室开放课题项目资助(项目编号 ：JYG0501)与福建省重大科技项目资助(项目编号：2002H102)。2.会议论文 彭向阳.李伟胪 锁相实验中柱形谐振腔与矩形波导管的耦合方式设计与连接波导管长度研究 19963.学位论文 唐金兰 微波等离子推力器谐振腔的数值模拟与小推力测量实验研究 2002该论文对MPT微波等离子体耦合流场进行了机理分析和数值模拟,建立了MPT的小推力测量系统,协

4、同进行了MPT真空环境实验研究.主要工 作如下:1.分析了MPT谐振腔内微波能量的转换过程,揭示了其内等离子体的形成是由MPT启动初期的强电场电离形成放电区过渡到稳定工作期 的热电离形成稳态等离子体区这一物理本质;研究了影响MPT稳定工作的主要因素,指出微波有效功率与谐振腔内气体压强的匹配是维持等离 子体稳定、避免等离子体消失、放电区熄灭的关键因素.2.采用时域有限差分(FDTD)法数值求解Maxwell方程,分析了MPT无加载谐振腔内的电 磁场特性.对TM模,分析了隔板对谐振腔内电磁场分布及谐振频率的影响;对TEM模,分析了内导体形状、位置对谐振腔内电磁场分布的 影响;以及它们对启动和稳定工

5、作的影响.3.采用FDTD法求解Maxwell方程、有限体积法求解N-S方程、单温度局域热平衡模型求解等离子体参 数,首次用全数值方法对MPT谐振腔进行了微波等离子体耦合流场的数值模拟,分别分析了TM和TEM两种模式各自的参数匹配关系及其对 微波等离子体流场的影响;应用于小型化MPT时,指出了小型化设计参数的合理选取.4.采用无护套的金属软波导管作为微波传输系统的弹性连 件、天平式电磁反馈自动补偿的小推力测量装置,成功地实现了MPT自重与其产生的推力分离、解决了微波传输电缆对MPT小推力测量干扰的 关键问题,在实现MPT小推力测量的实际应用中提高了测量精度和稳定性.4.期刊论文 吴志伟.黄元庆

6、.WU Zhi-wei.HUANG Yuan-qing 按增益体积缩放全金属环状波导CO2激光器研究 -集美大学学报（自然科学版）2005,10(2)介绍全金属环状波导CO2激光器,并提出了器件的设计思路.运用电磁场理论详细分析了环状波导管内电磁场各分量方程、模式特征及其 强度分布.对波导谐振腔的耦合损失也进行了简要的分析.5.期刊论文 孙宏丽.闫其年.石建国.杨宝柱 中草药微波萃取装置的设计 -时珍国医国药2010,21(2)设计了一种大容量分层辐射微波萃取装置,微波频率915 MHz,容积可大于10m3;通过多根矩形波导管将微波导入萃取罐内,解决了微波穿 透深度不足的问题,实现均匀加热.分

7、析表明:大容量罐体微波辐射均匀,结构简单,安全可靠,可实现保温、恒温、常压、正压、负压等萃取工 作,满足不同中草药萃取的工艺要求.6.学位论文 窦玉焕 自由电子激光振荡器光腔问题的理论研究 2005自由电子激光(FEL)具有波长连续可调、可设计等新颖特性和高效率、高光束质量等潜在能力，在科学、国防、医学和工业等领域有广 泛的应用前景。FEL振荡器中的光腔是整个装置的重要组成部分。目前，波荡器FEL光腔的设计与调试还面临着许多难点。这涉及到腔镜损坏 、光腔损失，输出耦合，腔长调节，模式演化，对振动及非共线问题的敏感性，抽取效率等。也一直是FEL设计和实验中的瓶颈问题。开展 有关光腔三维问题的研究

8、仍属FEL理论前沿，对FEL理论研究的深化和实验装置的设计与改进具有重要意义。本文结合我国紧凑型远红外 FEL振荡器和JLABIRFEL的实际情况，对FEL振荡器中的三维光腔问题进行了理论和数值模拟研究，取得了下列进展。对孔耦合和边耦合这两种输出方式进行了一定的研究比较。首次实现了加载条件下对边耦合光腔各种参数如输出功率、腔增益、耦合效 率等随输出镜尺寸及位置的变化规律的三维数值模拟。证明了边耦合输出用于CAEPFIRFEL的可实用性。通过移动或者更换输出反射镜，改变 输出镜尺寸和位置，可以灵活地选择和调节光腔的Q值，适应实验不同阶段的需要。并对谐振腔加入漂移管和不加漂移管两种情况进行了比 较

9、分析。这些对于实际装置有指导意义。对两种输出耦合FEL光腔的模式作了理论研究，对边耦合光腔内的光场进行了模式分解与三维数值模拟。模拟了腔内光场的模式演化情 况，及光场饱和时在光腔入口处、出口处、腔镜上的各阶模式分布情况等。证明了在合适的输出孔尺寸和位置的前提下，腔内模式以基模为 主。然后在此基础上，采用基模近似方法，给出了光腔抽取率，衍射损失及腔损失的计算公式及变化规律曲线，并与模拟结果进行了一定的 比较。利用计算光束与电子束横向叠合因子的办法来分析了光腔有无波导管时对腔内增益的影响。在此基础上，用三维数值模拟来对比有无波 导管时腔内增益的情况，然后结合目前实验中存在的主要问题即腔增益太小的情

10、况，分别模拟了通过减少波导管间隙和提高峰值场强这两种 办法对腔内增益的影响情况。最后对光腔非同轴问题进行了模拟计算，重点研究了腔镜在x，y两方向倾斜对增益、功率、输出的影响。分别 给出了在x，y方向倾斜的最大允许值。这对实验有一定的实际意义。利用三维非定态程序分别对CAEPFIRFEL和JLABIRDemoFEL失谐曲线进行了三维数值模拟。发现三维失谐曲线比一维失谐曲线更好符合实 验情况。对在不同失谐值时的腔内功率由增益、发展、饱和后的变化规律进行了三维模拟，研究了失谐的大小对光腔增益及腔内功率的影响 。三维计算证实了实验观测到的高增益情况下失谐曲线缩短的现象，推测是由于光导效应等三维效应的影

11、响。对应用于自再生自由电子激光的一种新型光腔作了简要介绍并对其特性进行一定的分析研究，在此基础上，对LOSALAMOSLab的自再生 FEL进行一定的模拟。这些模拟包括模拟光的增益过程，腔内wiggler增益、净增益、输出耦合率的变化等。模拟结果与实验结果及解析结果 基本符合。7.期刊论文 黄秉英.吴长华.干云清.赵晓惠 用于铯原子喷泉频率基准的TE011微波谐振腔 -计量学报2002,23(2)本文全面描述了用于中国计量科学研究院正在研制的铯原子喷泉的微波腔的结构特性和性能测量.该微波腔工作于TE011模式.它是一种 圆柱型腔,内径43 mm,高42.9 mm;两端有截止波导管,内径12 m

12、m,长30 mm.微波馈送采用同轴-波导转换,为了简化,腔外部未设调谐装置.腔的 材料采用具有高导电率的无氧铜,所有的馈送部件均无磁并具有超高真空性能.对已装入喷泉管的微波腔在真空状态下的测量表明,其失谐量 和有载Q值分别为0.7 MHz和8103.估算了与微波腔有关的钟频率不确定度,其中由腔相位差产生的频率不确定度降至1.610-16,它是喷泉 钟准确度提高到10-15量级的主要因素.8.学位论文 潘杰夫 一种精确测量微波介质陶瓷性能参数法介质柱谐振法 2003微波频率下材料复介电常数的测量对于微波材料的基础研究和应用开发具有重要意义.在总结国内外材料电磁特性测量方法的基础上,通 过对比分析

13、选取介质柱谐振法,并利用ADVANTEST公司的R3767C网络分析仪测量载有样品的腔体参数,通过自己开发的计算程序得到样品的复 介电常数.与其它测试方法相比较,这一测试方法具有宽频带、高精度、快速度、操作简单等优点.复介电常数的测量是属于直接测量,通过测 量载有样品的谐振腔的散射参数S、S、S以及谐振中心频率,并根据计算软件可以得到、Q值.从波动方程、规则波导 中的导行波的波型,我们对电磁场的测试原理有了一定的认识,并且通过对圆形波导管中电磁波的场分量的研究,可以得到介质柱谐振腔中各 部分电磁场分量的表达式,从而为分析和测量微波介质陶瓷的性能参数奠定了一定的基础.以介质柱谐振腔为测试夹具使得

14、测试样品的制备简 单、放置易于操作,可以尽量避免样品与夹具内部之间出现不应有的间隙,从而提高了测试精度.根据测试的要求,我们设计出了测试夹具的结 构和尺寸,测试频段可达118 GHz.同时给出了对测试样品、试验环境、试验设备及仪器的具体要求.介绍了测试基本操作过程以及在测试开 始之前要先测量金属短路板的表面电阻,完成了以上的过程,我们的测试工作才算正式开始.接着我们对Pb基系列以及BLT系列共20个样品的介 电参数进行了测量,从测试结果可以看出测量的结果基本还是比较理想,但是也存在一些问题:不能对小样品进行精确的测量,并且会导致测试 频率超出测量的范围.另外从测试的结果中可以判定样品的材料配方

15、和工艺还是存在一定问题,需要进一步改进和提高.最后对测试系统进行 了详尽的误差分析,发现矢量网络分析仪测量误差是主要的误差来源;同时还存在物理模型不完善引起的误差、测试频率的误差f、样品长 度测量时的误差等带来的误差.9.期刊论文 黄元庆.陈永明.朱立秒.曾景华.王一菊 带有光束变换器的环波导激光器 -激光与光电子学进展2001(9)介绍了一种新颖结构的环波导CO2激光器.该激光器采用全金属环状波导管,结构完全实现了扩散冷却、体积整体缩放的技术要求与器件 微小型高功率化要求.根据激活介质为中空、环状的特性,把常规所用的输出镜改用正角锥透镜.正角锥透镜的底面与一个平行平面铜全反射 镜构成平行平面

16、激光谐振腔.该器件环波导区宽度为2.25 mm,谐振腔长为200 mm,输出镜透射率为10%.当器件工作在最佳工作总气压约104 Pa,最佳工作气体分压比:CO2N2HeXe=1160.5,采用横向射频激励时,观察到145 W激光功率输出,总的电光转换效率为11%.若无光 束变换器时,该器件输出光束为平行的环状光束.光束变换器是由正角锥输出镜与一块用同一种材料做成、具有相同棱角的负角锥透镜构成 .可以根据应用要求,调节出射的光束宽度与横向模式分布.(OC39)10.学位论文 刘振祥 轴向提取反馈式虚阴极振荡器的研究 2002该文主要采用粒子模拟方法对轴向提取反馈式虚阴极振荡器进行了研究,并就一些结果进行了理论分析,得到了一些规律性的认识.在粒 子模拟方面,研究了轴向提取反馈式虚阴极振荡器的振荡频率与腔长的关系,分析了腔体的谐振特性.该文还对轴向提取反馈式虚阴极振荡器 的结构参数进行了优化设计,这种优化参数后的虚阴极振荡器输出的平均功率大于900MW,峰值功率大于2GW,能够做到C波段单模窄带微波输出 .在理论分析方面,利用微波等效电路和谐振