超导加速器CW模式的高阶模初步分析

超导加速器由于具有极高的Q值,因此表现出较强的腔束相互作用,尤其是在以CW模式运行下,严重时会产生束流崩溃(BBU)效应。德国TESLA式的9 cell超导串腔在束流负载为1 mA,束团重复频率为81 25 MHz情况下,对其高阶模的产生及相应的功率水平进行了分析。结果表明:对于该腔的主要高阶模,谐振偏差值在π/4以上,束流没有发生谐振,高阶模功率在mW量级。

光纤激光器高阶模式对相干合成特性影响分析

为了分析光纤激光器中高阶模式对相干合成的影响,采用将光纤激光器的基模以及高阶模式近似表示为拉盖尔-高斯光束的线性叠加的方法,利用拉盖尔-高斯光束的传输特性,得到了当光纤激光器的输出光束包含高阶模式时,激光器阵列相干合成的远场光强分布模型。同时以光纤激光器中输出混合模式为 LP_(01)和 LP_(11)以及输出混合模式为LP_(01)和 LP_(02)两种情况为例,分析了存在高阶模式的远场相干条纹的峰值功率和条纹对比度。结果表明,当光纤激光器中高阶模式为 LP_(11)模时,远场相干条纹的峰值能量随着 LP_(11)模的增加线性下降;当光纤激光器中高阶模式为 LP_(02)模时,远场相干条纹的条纹对比度随着 LP_(02)模的增加线性下降。

高阶模滤除法抑制蓝宝石光纤光栅反射谱带宽

蓝宝石光纤布拉格光栅在超高温恶劣环境下参数测试领域具有广泛的应用前景。但由于蓝宝石光纤本身的特性,不能支持单模传播,其反射谱带宽较宽,对测量精度造成了影响。利用光纤弯曲滤除高阶模的方法,使蓝宝石光纤实现基模传输。针对目前商用的150μm芯径蓝宝石光纤,基于耦合模理论,通过一系列数值计算,得出了能够满足基模传输且不损耗基模能量的弯曲半径,并得出了弯曲半径与布拉格中心波长的漂移特性。通过数值计算和优化设计,在一定弯曲半径下,反射谱带宽可减小到3 nm。这一结果大大提高了蓝宝石光纤布拉格光栅传感器的测量灵敏度,为蓝宝石光纤光栅在高精度、超高温测试场合的使用提供了方法和理论依据。

磁绝缘线振荡器中高阶模式的3维数值模拟

为了解高频MILO实验中高阶模频频出现的原因并考察其对MILO器件性能的影响,利用二次开发的3维全电磁粒子模拟程序KARAT对C波段MILO器件进行了模拟研究。在存在非对称激励的情况下由束波互作用可直接导致高阶模的产生,发现了可与实验中高阶模现象比拟的高阶模,并对其中频率为4.01 GHz的模式做出判定,认为此模式是由非对称的电子和场在互作用腔中相互作用产生的高阶TM11模,并经同轴线传输转化得来。对于频率为3.67 GHz和4.53 GHz的另两高阶模目前尚不能判断。

光纤Mach-Zehnder干涉仪中的高阶模干涉现象

利用Hermite-Gauss函数、模式干涉理论以及电场矢量线性叠加方法,分析了高阶模经光纤Mach-Zehnder干涉仪后的输出光场的空间干涉现象,得出了两个高阶模之间干涉光场的公式,计算出了双模光纤中各模式之间空间干涉的光场。数值仿真结果表明二阶模之间的干涉光场是两个相同的圆形光斑,而基模和二阶模之间的干涉光场是两个不等大的圆形光斑。

W频段高阶模宽带波导Y结环行器

基于电磁理论计算，发现在Ｗ频段存在环行方向一致的双高阶结谐振模，两模相互邻近，可以用来制成双频环行器，也可以调整环行器参数使两模部分重迭，得到宽带特性．本文给出的实验结果验证了理论预言．

高阶模高斯光束整形方法研究

研究了高阶模高斯光束的整形方法。在高阶模高斯光束和平顶光束理论模型的基础上,分别选择了平顶洛仑兹函数和费米狄拉克函数作为平顶光分布函数,利用能量守恒定律,分别推导针对拉盖尔-高斯光束和厄米特-高斯光束整形系统中入射光与出射光的映射函数。最后利用ZEMAX软件设计了针对TEM01模高斯光束进行整形的非球面透镜元件。结果表明,可进行任意阶数的高斯模高斯光束整形。

椭圆光波导解析解及第一个高阶模的截止频率研究

本文对椭圆光波导进行了严格的求解，得到了模场的精确解析解，导出了模式特征方程，并且证明了圆光波导仅是椭圆光波导的一个特例。文中还对第一个高阶模的特征方程进行数值求解，得出不同椭圆度下的有效折射率与归一化频率的关系曲线及第一个高阶模的归一化截止频率随椭圆比的变化。

带高阶模谐振腔反射器的过模高功率毫米波源

针对过模系数为2.3的高功率毫米波发生器设计了工作于高次模的谐振腔反射器.谐振腔反射器工作模式为TM035模式,在58～62 GHz频带内对TM01模式的反射系数大于0.9.运用2.5维全电磁粒子程序模拟分析了器件中束波相互作用过程,通过调整慢波结构与谐振腔反射器间的漂移段长度得到了器件在570 kV,6.0 kA电子注量驱动下,在引导磁场为4T时,能辐射出功率1.06 GW、频率为60.2 GHz的毫米波,主要工作模式为TM01模,效率约为31％,起振时间为3.3 ns.

高阶模激光束的聚焦

本文给出了厄米——高斯光束和拉盖尔——高斯光束的高阶模光斑半径与基模光斑半径的比值K_(mn),利用该系数,导出了高阶模激光束经薄透镜变换的计算公式,这些公式不仅适用于厄米——高斯光束,也适用于拉盖尔——高斯光束。

基于双高阶模叠加的2 mm铁氧体波导环行器

在2 mm波段,由于铁氧体材料饱和磁化强度的限制,环行器按传统方法设计带宽性能较差。基于高阶模设计,通过调控相邻双高阶模频率的响应特性,环行器20 dB带宽仿真结果达到5 GHz;对铁氧体内电场随频率的变化分析表明,2 mm环行器与相似结构的低频波导环行器不同,存在两种环行模式。制作的环行器样品实测性能达到:150~153 GHz范围内最大电压驻波比1.3,正向损耗约0.8 dB,反向损耗约18 dB。

毫米波连接器绝缘支撑高阶模对电性能影响的研究

毫米波同轴连接器的结构特点是绝缘介质和空气介质组成的同轴传输线.本文阐述了毫米波连接器绝缘支撑激发的高阶模,运用同轴传输理论分析了高阶模对毫米波同轴连接器电性能的影响,并对绝缘支撑到毫米波连接器机械电气参考面最小距离的计算进行了理论分析.

高阶模补偿单模光纤色散技术研究

在分析计算高阶模色散特性的基础上 ,论述了利用高阶模大的负色散系数和色散斜率实现了对单模光纤补偿的可行性 ,着重研究了LP0 2 模作为高阶模色散补偿的性能 ,结果表明 ,高阶模色散补偿技术是一种高品质因素的补偿方案。最后设计了基于LP0 2 模的高阶模色散补偿方案 ,并详细描述了模式转换器的工作原理。

高阶模高增益贴片天线的分析与设计综述

与基模贴片天线相比,高阶模贴片天线天然具有更大的电尺寸,故有利于实现高增益辐射.然而,高阶模贴片天线也存在副瓣高和带宽窄等缺陷.本文分析了采用高介电常数基板、寄生辐射抵消和缝隙加载3种主要的抑制高阶模贴片天线副瓣方法;针对高阶模贴片天线的阻抗带宽特性,评述近年来国内外关于双频和宽带高阶模贴片天线的主要研究成果;介绍多模谐振技术及滤波天线设计方法对改善高阶模贴片天线带宽的作用,指出未来高阶模贴片天线设计仍然面临阻抗带宽窄和天线邻模抑制问题.

2-cell超导腔的高阶模分析

阐述了2-cell Telsa腔的设计。用3维程序HFSS分析了其高阶模的特点,给出了高阶模的主要参数频率、品质因数、分路阻抗以及模式的电场分布,并且π模的电场分布与Superfish的模拟结果相比较,两者是一致的。最后,简要分析了各高阶模对电子加速的影响,分析表明高阶模降低了电子加速效率和束流的稳定性。

用变形差分公式计算波导高阶模的截止频率

对差分法所获的离散差分公式作矩阵变换,使差分离散方程的系数矩阵对于波导的各阶模都是正定的,从而可利用该变形离散方程计算波导各个高阶模的截止频率。编程实例计算了矩形波导、L形波导、对称脊波导部分高阶模的截止频率。计算结果表明:用变形差分公式计算高阶模的截止频率,不仅具有较高的计算精度,而且可以很方便地用于各种复杂截面波导问题的设计与分析。

圆形镜共焦腔中基模及高阶模的MATLAB设计

光学谐振腔中自再现模形成后腔镜上的横向场分布特征可由菲涅尔-基尔霍夫积分公式来描述,当腔中的菲涅尔数足够大时,菲涅尔-基尔霍夫积分公式可借助高斯近似进行简化。引入拉盖尔-高斯近似,借助MATLAB计算软件,对圆形镜共焦腔中的基模及高阶模式场分布特征进行理论描述和数值仿真,得到腔镜上横向场分布的模式及场分布特征,加深了对共焦腔中基模及高阶模模式特征与场分布特征的理解。

1.3 GHz 9-cell高性能超导腔高阶模耦合器电磁及热分析研究

中国科学院高能物理研究所于2023年6月完成了高品质因数1.3 GHz超导加速模组研发,在国际上率先实现了中温退火高品质因数超导腔模组技术路线。模组中集成了八只经过中温退火工艺处理的1.3 GHz9-cell超导腔,在模组的测试过程中超导腔的高阶模耦合器温升异常,导致超导腔无法在高梯度下稳定工作。通过HFSS软件和CST软件中的微波仿真模块对高阶模耦合器进行电磁分析,再通过理论和Ansys Workbench软件对高阶模耦合器进行热仿真分析,并结合模组的高功率实验,找到了超导腔性能异常的原因,并对超导腔高阶模耦合器的冷却方式进行了进一步的优化,解决了模组中超导腔高梯度下的不稳定性。

TESLA式高阶模衰减器的改进与设计研究

为了消除超导加速腔中高阶模场对加速粒子的影响,在DESY的高阶模耦合器结构的基础上本文提出了改进的耦合器．用HFSS程序针对1．5cell腔设计优化了高阶模耦合器,得到高阶模耦合器对几种主要模式的吸收．研究结果表明,采用新型结构后,衰减器对主要有害模的衰减由-40dB提高到 -15dB,使原有高阶模衰减器的性能明显提高．该高阶模衰减器也适用于国产2cell超导腔的使用．