20mm孔径重复频率等离子体电光开关研究

等离子体普克尔盒可以采用薄晶体,是大口径平均功率激光器理想的光开关器件。采用有限元方法,分析了20mm口径重复频率等离子体电光开关的热光效应,模拟计算了在平均功率负荷下,3mm厚的DKDP晶体由于热致双折射引起的退偏损耗为0.16%。采用电容分压技术,实现了基于DKDP晶体的等离子体电光开关的单脉冲驱动,通过针对重复频率等离子体普克尔盒的优化设计,研制完成了Φ20mm口径、10Hz重复频率等离子体电光开关样机,静态透射率97.2%,开关效率99.8%,开关上升时间11ns。     

一种基于光纤阵列的高速电光开关系统

提出了一种基于光纤阵列的新型电光开关,设计了高速电光选通电路.经实验测得,高压选通电路可获得电压幅度6 000 V可调,前、后沿小于30 ns,触发晃动小于1 ns,脉冲宽度为100 ns可调的高压矩形脉冲.用小口径电光晶体实现了大的通光口径、快的开关速度的惯性约束核聚变驱动系统光开关.选出了在100 ns标称开关速度内所关心的光信息,满足了惯性约束核聚变驱动系统中大的通光口径和均匀性的要求.     

一种基于光纤阵列的高速电光开关系统

提出了一种基于光纤阵列的新型电光开关,设计了高速电光选通电路.经实验测得,高压选通电路可获得电压幅度6 000 V可调,前、后沿小于30 ns,触发晃动小于1 ns,脉冲宽度为100 ns可调的高压矩形脉冲.用小口径电光晶体实现了大的通光口径、快的开关速度的惯性约束核聚变驱动系统光开关.选出了在100 ns标称开关速度内所关心的光信息,满足了惯性约束核聚变驱动系统中大的通光口径和均匀性的要求.     

湍流廓线激光雷达中的电光开关设计

利用晶体的电光效应设计了一种可以取代像增强器曝光闸门作用的电光开关系统,阐明了晶体电光效应的原理及电光开关取代像增强器的必要性与可行性,借助光学软件Zemax仿真得到了光开关的光路系统以及开关通断时的光斑图样,此仿真结果以及静态实验结果都表明,晶体光开关可应用于激光雷达光路中,且曝光时间可达ns量级,从而摆脱对像增强器的依赖。     

一种低驱动电压的电光开关设计

介绍了一种基于法布里-珀罗标准具的电光开关,对开关的工作原理进行了分析,并对开关的结构进行了设计。以铌酸锂晶体为例,计算了开关透过特性随驱动电压、激光波长的变化规律。结果表明,在晶体参数相同的情况下,这种法布里-珀罗标准具开关与采用正交偏振片的电光开关相比,可以大幅降低电光晶体的驱动电压,同时还具有较好的选模能力。     

钽铌酸钾晶体二次电光效应的应用研究进展

钽铌酸钾晶体(KTN)是目前已知的具有最大二次电光系数的晶体,利用其电光效应可改变光的相位、强度和传播方向,可广泛应用于光通讯、屏幕显示和生物医疗等领域。讨论了晶体组分、温度、缺陷和生长条纹对KTN晶体二次电光系数的影响;介绍了近几年国际上报道的几种基于KTN晶体二次电光效应的器件电光调制器、光开关、光束扫描器、变焦透镜和光谱仪,阐述了它们的的基本原理、研究现状和应用前景;对国内外KTN晶体电光器件研究的发展趋势进行了展望。     

单块晶体2×2光开关

利用晶体的双折射和全内双反射现象以及晶体的电光效应 ,设计了一种单块晶体集成的 2× 2光开关 ,将一个电光调制器和两个光束分束器集成到一块铌酸锂晶体上 ,实现了光束合束、偏振态调制和光束分束三种功能。根据这种光开关的工作原理 ,给出两种开关结构 ,一种是易于级联的垂直入射结构 ,另一种是有较低操作电压的倾斜入射结构 ,并对倾斜入射结构的光开关进行了制作和测试。实验结果表明 :这种集成结构的 2× 2光开关操作电压低 ,串扰小 ,能量损耗小 ,抗干扰 ,稳定可靠 ,适用于各种光学互连网络。     

高功率窄脉宽半导体激光激励器设计

为了获得高功率窄脉宽半导体激光,设计了半导体激光器相应的激励单元,论述MOSFET作为高速开关的工作机理,分析基于MOSFET作为高速开关产生窄的大电流脉冲的电路模型.为了使MOSFET开关速度尽可能快,根据前述分析,提出推挽式MOSFET栅极驱动方式并设计了触发窄脉冲的发生电路.当激光二极管接入放电回路时,实验表明:激光二极管输出光的峰值功率可达67.5 W,脉宽约为20 ns.最后,简要分析了影响光脉冲宽度的因素.     

旋光-电光晶体的电光调制特性及π-电压

分析旋光-电光晶体的电光相位以及强度调制特性,并定义晶体的π-电压。对于具有旋光性的电光晶体,以往半波电压的概念不能准确描述其电光偏振、强度调制的周期性,因而引入π-电压这一概念,并将其定义为此类晶体的椭圆双折射相位延迟变化量等于π时所需要的调制电压。对于置于两个偏振器之间的旋光-电光晶体强度调制器,旋光性可以为电光强度调制提供光学偏置,但调制光强度是调制电压的偶函数,只有当检偏器的主透光方向平行或垂直于晶体出射线偏振光波的偏振方向时,才能实现完全的电光开关。当将此类晶体用于电光开关时,可定义能够实现完全开关状态转换所需要的最大调制电压为开关电压。通过实验测量了一块尺寸为6 mm×4 mm×2.9 mm的硅酸铋(Bi_(12)SiO_(20))晶体的π/4-电压,对于635 nm的光波长,π/4-电压约为3 kV。对于具有旋光性的弹光调制器,可以引入π-应力和π-应变的概念。     

280mm×280mm口径单脉冲过程电光开关

用于高功率惯性约束聚变(ICF)激光驱动器的大口径电光开关均采用等离子体电极泡克耳斯盒。与传统的等离子体电极电光开关原理不同,单脉冲过程驱动电光开关没有独立的大电流等离子体发生单元,而只是通过具有较高幅值的正负开关脉冲完成对大口径电光开关的驱动。介绍单脉冲过程驱动等离子体电极泡克耳斯盒电光开关的设计,并建立280 mm×280 mm口径电光开关实验平台,利用连续激光器测试了电光开关特性,实验测得该电光开关中心处开关效率为99.3%,开关上升时间为90 ns。     

±100 kV三电极场畸变气体火花开关

设计了一种用于直线变压器驱动源的三电极场畸变气体火花开关。开关采用SF6气体绝缘,开关尺寸和电感较小,实测开关电感约为67 nH。在工作电压80 kV、工作系数为70%时,开关触发时延为40.0 ns,抖动约2.8 ns。对比研究了钨铜合金和黄铜两种电极材料对开关静态和触发击穿特性的影响,研究结果表明:铜钨合金电极开关的自击穿电压分散性、触发时延及抖动、自放电概率和电极表面烧蚀均小于黄铜电极,更适宜作为三电极场畸变开关的电极材料。     

多间隙气体开关电感

介绍了一种用于快脉冲直线变压器的低电感多间隙气体开关。专门构造了多种形式的单通道放电实验,测量了在不同形态单通道放电时的开关电感,研究发现:单通道放电时开关电感除了受到角向电流的影响,还与电弧通道引起的放电回路面积变化有关,开关电感理论计算值与单通道放电时的实测结果最接近;开关在自放电和触发时,均形成了多通道放电,电感明显降低,触发时开关电感最小约为49 nH,电极角向电流的影响可以忽略。     

基于MOSFET的固体开关技术实验研究

 采用两只1kV MOSFET器件及驱动模块和高带宽光纤收发对，研究了固体开关技术中的触发信号高压隔离、功率MOSFET器件栅极驱动及MOSFET串并联使用等关键技术。单器件开关获得了1kV,13A,4MHz重复频率的脉冲串输出。两器件并联开关获得了130A，2MHz的输出。两器件串联开关获得了16kV,2MHz重复频率脉冲串输出。     

Operation of a magnetized diode as a fast opening switch:experiment and theory

A planar electron-beam diode with a strong magnetic field imposed normal to the electrode surfaces is found to operate as a fast opening switch when the electric field of the cathode is artificially enhanced with an array of needles as the emitting structure. Conduction times of hundreds of nanoseconds and voltages of order 400 kV are routinely achieved with this switch. Data from experiments using two different pulsed power drivers are presented along with a simple 1-D model to provide one possible mechanism to explain this observed behavior     

轨道式多间隙气体开关设计与性能测试

针对直线脉冲变压器对低电感、低抖动气体开关的研制需要,采用垂直布放的平板轨道电极,组成具有通视结构的水平间隙,设计了一种多间隙轨道式气体开关。利用Meek击穿判据计算了单间隙自击穿电压,实测了4个单间隙的自击穿电压及其相对标准偏差,并根据单间隙自击穿电压,利用概率分析方法预测了多间隙开关自击穿电压,计算值与实测结果一致。研究表明:开关电感最大约109 nH,自击穿电压相对标准偏差为1.5%,在60 kV触发电压和48%~74%欠压比下,开关抖动0.9~2.6 ns。与圆环形电极的多间隙气体开关相比,多间隙轨道式气体开关自击穿电压更稳定,也更容易触发。     

等离子体电极电光开关驱动电源系统

 介绍了通光口径为300mm×300mm的等离子体电极电光开关驱动电源系统原理。该系统能产生时序上严格关联的两路幅值3kV、脉宽为500ms预电离高压脉冲；两路电压幅值为7kV、电流峰值为2kA的阻尼大电流、低抖动主放电脉冲；一路幅值为12kV、脉宽500ns低抖动矩形高压开关脉冲。这五路高压脉冲通过3根同轴电缆加载到充有惰性气体的纵向普克尔盒两边的阴阳电极上，对激光形成等离子体电极电光开关。     

Photoconductive semiconductor switches

Optically activated GaAs switches operated in their high-gain mode are being used or tested for pulsed power applications as diverse as low-impedance, high-current firing sets in munitions; high impedance, low-current Pockels cell or Q-switch drivers for lasers; high-voltage drivers for laser diode arrays; high-voltage, high-current, compact accelerators; and pulsers for ground penetrating radar. This paper will describe the properties of high-gain photoconductive semiconductor switches (PCSS), and how they are used in a variety of pulsed power applications. For firing sets, we have switched up to 7 kA in a very compact package. For driving Q switches, the load is the small (30 pF) capacitance of the Q switch which is charged to 6 kV. We have demonstrated that we can modulate a laser beam with a subnanosecond rise time. Using PCSS, we have demonstrated gain switching a series-connected laser diode array, obtaining an optical output with a peak power of 50 kW and a pulse duration of 100 ps. For accelerators, we are using PCSS to switch a 260 kV, 60 kA Blumlein. A pulser suitable for use in ground-penetrating radar has been demonstrated at 100 kV, 1.3 kA. This paper will describe the specific project requirements and switch parameters in all of these applications, and emphasize the switch research and development that is being pursued to address the important issues     

快脉冲直线变压器气体开关技术

阐述了Z箍缩驱动惯性聚变装置对快脉冲直线变压器气体开关的需求背景,介绍了快脉冲直线变压器气体开关技术发展的基本要求及国际研究进展,归纳了近年来主要研究成果和对当前研究有重要借鉴意义的结论,给出了提高静态稳定性、降低触发阈值和延长开关寿命的措施。介绍了气体放电的汤逊和流注理论,指出:在不大于1.5106 Pacm范围内,汤逊理论完全适用于描述气体开关自击穿过程。根据巴申定律、Meek击穿判据,给出了开关气压和间距设计要点,分析了多间隙开关间隙数量和间隙的电压分布均匀性对开关自击穿电压的影响。根据触发击穿延时经验公式,归纳了降低触发电压阈值的技术途径。介绍了1维的电极熔蚀判据,并总结了减轻电极烧蚀的方法和措施最后指出开关技术研究总体策略和方法。     

大电流两电极气体开关研究

 由于引燃管难以满足现在能源系统对放电开关承受大电流的要求，因此研制了大电荷转移量两电极气体开关。这种新型气体开关电极间距可调，无触发极，采用同轴结构，并将主电极置于金属腔体内，减少了放电对绝缘支撑的污染。主电极为铜钨合金材料，设计为平顶圆柱状，以提高烧蚀均匀度和热传导效率，减少电极材料喷溅，延长其寿命。绝缘支撑采用碗状结构，提高了机械强度，增加了沿面击穿距离。该开关工作电压达25 kV，放电电流超过100 kA（脉冲宽度600 μs），单次脉冲电荷转移量达50 C。实验结果显示该气体开关触发性能稳定，电极表面烧蚀均匀，多次大电流实验后电极表面保持完好，可应用于强激光能源系统。     

等离子体电极棚电光开关实验研究

 设计建造了以辉光放电形成的等离子体作电极，通光口径为80mm×80mm的普克尔盒实验，实验检测了它的开关性能。阐述了普克尔盒的结构，辉光放电等离子体电极的形成，开关驱动脉冲的产生及输出特性，电光开关的开关效率和开关速度的检测方法，给出了典型的实验结果。