高掺杂浓度掺镱光纤的光子暗化效应

采用光纤激光器和放大器结构方案，观察到了高浓度掺镱光纤（YDF）的光子暗化（Photo-darkening）现象.对激光器阈值和输出功率、放大器输出谱的测量结果表明，光子暗化效应导致了高掺杂浓度YDF的功率转换效率随泵浦作用时间的增加而下降，且下降为单调不可逆过程，但随着泵浦时间的增加，这种下降逐渐变缓、功率转换效率最终可趋于稳定.     

伽马辐照对掺镱光纤材料特性影响的研究

掺镱光纤是高功率激光器的核心材料,但在高能射线辐照后其应用性能会显著下降,因此有必要对掺镱光纤材料在辐照环境下的性能变化进行深入研究。采用改进型化学气相沉积法结合稀土螯合物掺杂制备了系列光纤预制棒及光纤,测试了光纤在不同剂量下射线辐照前后的高功率输出性能,以及光纤预制棒辐照前后的吸收光谱及镱离子荧光寿命。结果表明:小剂量辐照后掺镱光纤的高功率输出显著下降,通过预制棒吸收光谱可看出主要是因为伽马辐照后使掺镱光纤材料中Al的相关缺陷浓度增多,在可见光区域吸收损耗增加。Ce离子的掺杂通过缓减辐致铝氧空位中心(Al-OHC)色心缺陷的增加,减少Yb离子荧光寿命的下降,可在一定程度上抑制高功率掺镱光纤的辐致暗化。     

中子辐照对掺镱光纤材料光学特性的影响

采用改进型化学气相沉积法结合稀土螯合物掺杂制备了系列掺镱光纤预制棒及光纤,并测试了光纤(预制棒)辐照、退火前后的光学性能.结果表明:中子辐照后掺镱光纤材料中与Al相关的缺陷浓度增多,导致光纤材料在可见光区域吸收损耗增加.Ce离子的掺杂可缓减铝氧空位中心(Al-OHC)等色心缺陷的增加,从而有效抑制掺镱光纤的辐致暗化效应.热退火可降低中子辐致色心缺陷的浓度从而降低光纤材料的吸收,在一定程度上消除暗化效应.     

国产有源光纤成功实现6 kW激光输出

光纤激光是继气体激光、化学激光和固体激光之后的新一代激光技术,是近年来世界各国科学研究的热点领域。制约光纤激光功率提升的主要技术瓶颈是系统集成技术和光纤材料制备技术。目前,我国科研工作者成功掌握了千瓦级光纤激光系统集成技术并实现了产业化,但是所用的光纤激光材料与核心器件还严重依赖进口。相较于比较成熟的系统集成技术,我国光纤激光材料的科学研究和产业化进程相对滞后,尚无法提供成熟稳定的有源光纤产品。 2016年6月,中国工程物理研究院激光聚变研究中心的研究人员经过近三年科研攻关,成功研发了30/900规格（纤芯30 m/包层900 m）镱掺杂铝磷硅（Yb-APS）三元体系激光光纤并实现了6.03 kW最高功率输出,在5 kW功率水平下可长期稳定工作。光纤激光材料综合测试平台采用了传统的1+1型MOPA放大结构（即信号种子源与一级主放）:信号光种子源的功率为40 W,光束质量M2=1.1;第二级MOPA放大级使用的976 nm LD泵浦光总功率9.95 kW,经过CPS功率剥离器激光净化处理后,最终安全地实现了6.03 kW最大功率输出。如图1所示,最高输出功率时斜率效率为61.25%,源于1∶30的芯包比和20 m以上的光纤使用长度;激光输出光谱中心波长1080 nm,3 dB带宽为1.89 nm,受激拉曼抑制比＞15 dB;5 kW稳定工作时,光束质量M2=2.38,未发现光子暗化效应。中物院激光聚变研究中心所研制的镱掺杂铝磷硅三元体系有源光纤(30/900 Yb-APS fiber)成功实现了6.03 kW激光输出,是我国高功率光纤激光材料研究领域的重要进步,为制备低损耗、高掺杂、高吸收、高增益、无光子暗化效应的商业激光光纤产品奠定了坚实的技术基础。     

掺Yb3+双包层大模面积光子晶体光纤激光器的研究

采用多模大功率半导体激光器泵浦掺镱双包层大模面积光子晶体光纤,应用5 m长光子晶体光纤,在泵浦功率为22 W的条件下,获得了1.03 μm,功率为65 mW的单横模激光输出,同时实验研究了输出功率与泵浦功率的关系,并观察到掺Yb3+光子晶体光纤侧面有绿色荧光出现.     

单模光纤激光极限功率的数值研究

对光纤激光极限功率的探索和其受限因素的分析, 有利于为大功率光纤激光器的发展提供理论依据和实验指导. 本文考虑热效应、光效应、非线性效应和抽运亮度等因素对光纤激光极限功率的影响, 分析了掺镱和掺铥光纤的极限功率和受限因素. 在此基础上, 结合激光在光纤中单模传输的条件, 计算了单模掺镱和掺铥光纤激光的极限功率. 计算结果表明, 在现有技术条件下, 使用常规的976 nm和793 nm激光二极管抽运, 单模掺镱和掺铥光纤激光的极限功率分别为4.2 kW和7.8 kW, 其中单模掺铥光纤激光的功率水平还远低于它的极限功率的原因是受抽运亮度的限制. 最后分析指出减小纤芯的数值孔径和改进少模光束的光束质量是提升单模光纤激光极限功率的重要途径.     

用于高功率系统的掺镱石英光纤研究进展及发展趋势

掺镱石英光纤是掺镱光纤激光器及放大器的重要基础元件.掺镱光纤性能提升是促进掺镱光纤激光器系统功率进一步攀升的关键.本文回顾了高功率掺镱光纤激光器系统功率攀升情况及功率限制性问题,简述了针对激光功率攀升的瓶颈问题所提出的改善性方案.重点阐述了掺镱光纤制备技术、光纤材料、结构性设计在改善功率限制性方面所取得的研究进展,并对未来掺镱石英光纤的研究及发展趋势进行了展望.     

基于自相位调制和交叉相位调制的全光开关特性研究

提出一种优化含有掺铒光纤放大器的非线性Sagnac干涉仪全光开关的新方法,建立了基于自相位调制和交叉相位调制两种解析模型,讨论了掺铒光纤放大器的小信号增益和饱和输出功率对开关性能的影响.分析表明掺铒光纤放大器的性能参量对开关所需要的Sagnac环中光子晶体光纤长度产生限制.当采用相同长度的光子晶体光纤时,基于交叉相位调制方式的全光开关与基于自相位调制方式的全光开关相比能够显著降低开关功率.采用分布傅里叶法数值求解非线性薛定谔方程,优化了开关结构,讨论了重复频率为40 GHz脉宽为5 ps的高斯型信号脉冲在开关时沿Sagnac环的传输特性.模拟结果表明,通过合理选择高非线性光子晶体光纤长度和掺铒光纤放大器的性能参量能够实现超低开关功率（＜1 mW）的开关操作.     

光纤非线性效应对光子时间拉伸模数转换系统性能的影响

光子时间拉伸模数转换(PTS-ADC)系统利用光纤中的色散效应对被采样模拟信号进行时间拉伸和带宽压缩,可大幅提高电模数转换器(ADC)的采样率和带宽。现有的PTS-ADC系统需要很长的色散光纤作为传输介质,它所带来的损耗限制了系统信噪比(SNR)和有效比特位(ENOB)。虽可通过提高光脉冲功率来改善系统的SNR,但色散光纤中的非线性效应利用了信噪比的提升。从理论推导、数值仿真和实验验证三个方面综合分析了非线性效应对PTS-ADC系统性能的影响,包括系统功率传输函数、载波与谐波功率比(CIR)。结果表明:第一段色散光纤中的非线性效应不会使得被采样模拟信号失真,相反地会提高系统带宽和CIR;而第二段色散光纤中的非线性效应则会恶化系统性能,应予以避免。     

石英基L波段扩展掺铒光纤及其放大性能

掺铒光纤放大器的增益带宽是限制光纤通信系统传输容量提升的重要因素.受铒离子激发态吸收所限,常规L波段掺铒光纤难以实现更长波段的带宽扩展.本文基于改进的化学气相沉积工艺成功制备了P/Al共掺石英基L波段扩展掺铒光纤,研究了共掺离子对于铒离子4I13/2能级到4I9/2能级激发态吸收的影响.通过分别搭建单级前向泵浦和多级的放大结构,测试了其宽带放大性能.基于前向980 nm泵浦的单级结构,当输入信号功率为–9 dBm,泵浦功率为530 mW时,该光纤在1625.3 nm处增益达10.5 dB,最大噪声指数为5.9 dB.多级放大结构下,该光纤在1625.3 nm处增益可达23.4 dB.实验结果表明P/Al共掺石英基掺铒光纤可以有效抑制铒离子的激发态吸收,为进一步扩展L波段增益带宽提供了强有力的可行方案.     

2kV高稳定度高压脉冲电源设计

在一些光学精密仪器的应用场合中,不仅需要脉冲电源在时间上能够提供精确的控制,而且需要具有高稳定度的输出,以提高光电系统的探测性能;运用基于高压开关的两级式方法,采用单级高功率MOSFET开关结合具有高稳定输出的直流电源的结构,设计了输出辐度可达2kV的高稳定负脉冲电源;测试结果表明,在输出脉冲宽度为8 μs时,脉冲前沿约为48 ns,系统延迟时间约为140 ns,负脉冲超调参数约为1%。该系统具有结构简单、可靠性高、高稳定性输出等优点,可以为特定的光电器件提供优质的控制方式。     

卫星太阳能电站教学演示系统

介绍了自制的卫星太阳能电站教学演示系统,根据已制作成功的X波段小功率微波输电实验模型,介绍了人造太阳光源(氙气灯和微波硫灯)的工作原理和发光特性;给出了部分市售太阳能电池板的技术参数和选择原则;说明了简易耿氏振荡器的组成和实验应注意的问题;分析了喇叭天线菲涅耳区的场分布,并测量了相应的传输效率;解释了微波二极管的整流机理,总结了国产硅点接触微波二极管整流的实验结果,指出了二极管使用的注意事项．     

对无功功率物理意义的讨论

有功功率和无功功率是电工理论中非常重要的基本概念,有功功率物理意义明确,是瞬时功率在一个周期内的平均值,而无功功率概念模糊,正弦稳态电路中,一端口网络无功功率的值为端口电压有效值与电流有效值及电压与电流相位差的正弦函数三者的乘积,即Q=UIsinφ,有的教材将无功功率解释为网络内部与外部电源能量交换的最大规模,本文通过纯电阻、纯电感和纯电容电路,以及对RL与C并联电路的分析,证实对无功功率的这种解释是有歧义的.     

真空二极管大功率微波检波器设计

基于真空二极管设计了一种X波段大功率微波检波器,该检波器主要由真空二极管、BJ-100波导、调谐螺栓、低通滤波器和直流电源组成,其工作频率可根据需要在8.6~9.8GHz范围内调谐。重点阐述该型大功率微波检波器的结构设计、实验室标定及辐射场测量实验结果,研究了不同脉宽和不同灯丝电压与检波特性的依赖关系。实验结果表明:该型检波器具有承受微波脉冲功率高(大于7kW)、响应快(响应时间小于2.0ns)、动态范围大、输出信号幅度高(可达数十V)、不需要同步信号等特点,适用于在高功率微波干扰环境下的单次和高重复频率脉冲功率测量。     

MA量级螺线圈型爆磁压缩发生器

 采用多分支螺线圈型爆磁压缩发生器数值模拟程序MFCG8-7进行理论模拟及参数优化,设计了EMG-125型螺线圈型发生器,并开展了实验研究。电感负载实验结果表明：EMG-125型发生器可以在25 nH电感负载上输出大于3 MA脉冲电流,负载能量大于100 kJ,电磁能量放大50倍。     

硅太阳能电池负载对功率的影响

针对硅太阳能电池输出功率受条件约束的问题,讨论负载对硅电池的影响.通过测定硅电池的开路电压U∝、负载电压UL,计算不同负载RL下的输出功率PL?利用origin软件对数据进行处理,分析出最大功率时的负载.重点针对追求硅电池的功率最大输出和硅电池功率稳定输出以及硅电池电源效率3种情况,给出了负载相应的范围.     

高功率微波辐射场功率阵列测量装置研制

基于高功率微波辐射场分布积分方法,通过衰减、延迟、合路等技术手段,研制了一套高功率微波辐射场功率阵列测量实验装置。该装置仅利用一台示波器就可以同时测得16个不同点处的高功率微波辐射场波形,由此得到不同点处的功率密度,在辐射天线方向图旋转对称的条件下,利用编写的程序可以迅速求得单次、短脉冲高功率微波源的空间辐射功率,并在X波段相对论返波管高功率微波源功率测试中得到应用,为高功率微波功率测量特别是单次HPM功率测量,提供了一种新的功率测量阵列装置。     

小型风光互补发电演示装置

研制了适用于大学物理演示实验教学的小型风光互补发电演示装置,该装置由叶片、风力发电机、光伏太阳能电池板、控制器、蓄电池、逆变器、负载等几部分组成.整个系统以光电互补控制器为核心,经由风力发电机与光伏太阳能电池板将风能和太阳光能转变为电能,并将其储存于蓄电池中供负载使用.该装置展示了风力发电系统的组成,演示了风力发电原理和相关空气动力学原理.     

三阴极强流加速器研制

 研制了一台能同时产生3电子束的高功率强流加速器,该加速器主要由初级储能部分、线绕式脉冲变压器、水介质形成线和三阴极二极管组成,3根阴极分别伸入3个独立的漂移管,对3个电子束之间相互作用的电磁力起屏蔽作用。当该加速器二极管接单个阴极时,产生的电功率超过50 GW;当该加速器二极管同时接3个阴极时,产生3个电子束的电功率分别超过10 GW;当该加速器被用于驱动3个高功率微波管时,能产生L波段1.0 GW,S波段1.0 GW和C波段300 MW的微波输出。     

半导体脉冲功率开关的最新进展

简述了脉冲功率开关的发展及国内外脉冲功率晶闸管产品的现状,并详细介绍了国内的脉冲功率开关产品及其特点。阐述了脉冲功率晶闸管组件产品的设计与应用,以及半导体脉冲功率开关的测试试验平台。简要介绍了脉冲功率晶闸管及其组件在工程应用中的同步驱动、感应取能和串联均压等关键技术,并简述了脉冲功率晶闸管组件的工程应用实际效果。阐述了半导体脉冲功率开关及其测试试验平台的发展方向。