向内发射同轴虚阴极振荡器理论分析与数值模拟

 针对向内发射同轴虚阴极振荡器进行了1维理论分析，给出了电流电压关系的数值解，估算了同轴漂移区空间电荷限制流及虚阴极位置；同时使用MAFIA程序进行了全3维PIC数值模拟研究，通过调节阴极电子发射区与阳极反射板之间距离进行了一系列计算，得到了圆波导中各传输模式频谱及功率。结果表明，尽管使用圆周对称的同轴结构，输出模式中TE₁₁和TM₀₁仍占主导地位，两种模式共同存在，相互竞争。在最佳情况下，当二极管电压为250 kV，电流为20 kA时，得到了微波输出总功率最高为740 MW，功率效率超过10%，主频为3.18 GHz，同时含有较强TE₁₁和TM₀₁模式成分的微波输出。     

向外发射同轴型虚阴极振荡器研究

在高功率微波源研究领域提出了一种新型虚阴极器件——向外发射同轴型虚阴极振荡器.对其相关束流特性进行了理论分析,得到了同轴空间径向传输空间电荷限制电流,以及虚阴极产生的条件和电子束运动的基本规律.基于数值模拟得到的结果,向外发射同轴型虚阴极振荡器不仅表现出较高的能量转换效率,而且有利于增加虚阴极器件产生高功率微波的脉宽,同时还可以应用于低频段高功率微波源.这种虚阴极器件的可能输出微波方式也进行了讨论 关键词： 虚阴极 高功率微波 脉冲功率 电子束二极管     

向内发射同轴虚阴极振荡器实验研究

 同轴型虚阴极振荡器是一种较有发展潜力的虚阴极振荡器，对西北核技术研究所近期的同轴型虚阴极振荡器实验的结果进行了介绍。实验结果表明，在不带有阳极反射板的同轴虚阴极振荡器中，产生微波的主模为TE₁₁模，与常规的轴向发射虚阴极振荡器相比，其主频稳定且带宽较窄；在二极管电压300kV，电流18kA条件下，获得了功率约为200MW的高功率微波脉冲，效率约为3.6%，工作频率为2.7GHz。     

同轴波导虚阴极振荡器二极管参数优化的研究

采用粒子模拟研究了同轴波导虚阴极振荡器二极管参数对微波效率和频率的影响,得到了由二极管参数改变引起的二极管阻抗变化及其对微波效率的影响规律. 借鉴具有慢波结构的高功率微波器件中微波模式特性阻抗的计算方法,给出同轴波导虚阴极振荡器中微波主模式特性阻抗的理论计算公式. 将理论计算结果与由粒子模拟对器件进行优化后得到的二极管阻抗进行比较,发现当反映电子束特性的二极管阻抗与微波主模式特性阻抗匹配时,虚阴极振荡器具有较高的束波功率转换效率. 进一步用特性阻抗对其他几种典型结构的虚阴极振荡器进行分析,验证了该方法的合理性,为设计高效率虚阴极振荡器提供了理论指导. 关键词： 虚阴极振荡器 同轴波导 二极管参数 特性阻抗     

同轴虚阴极振荡器实验研究

 介绍了中国工程物理研究院应用电子学研究所关于同轴虚阴极振荡器实验的最新进展。实验结果表明，带阳极反射板结构的同轴虚阴极振荡器比不带阳极反射板结构的同轴虚阴极振荡器输出微波功率更高，频谱更纯。在二极管电压350 kV，电流23 kA条件下，输出微波峰值功率500 MW，能量转换效率约6.2%，工作频率为3.3 GHz。对实验结果进行了理论分析。     

同轴虚阴极微波输出模式分析

 对不同透过率的阳极网进行实验研究，得到了主频为3.4 GHz和3.7 GHz的辐射微波，对同轴虚阴极内的电子束分布进行了分析。对同轴虚阴极内的本征模式进行了计算，并与实验结果进行比较。实验结果表明：网内电子束的分布对微波输出模式有重要影响；同轴虚阴极微波频率是阴阳极间距及谐振腔共同作用的结果；阳极网透过率对频率有显著影响，透过率越高，则微波频率相应提高。     

一种新型径向三腔同轴虚阴极振荡器全三维粒子模拟研究

提出了一种新型径向三腔同轴虚阴极振荡器,并进行了数值模拟研究. 研究表明: 这种径向三腔结构在束波转换面进行电场调制,能够大幅提高束波转换效率;同时,由阳极栅网和径向三腔结构构成的谐振装置能有效地抑制模式竞争;另外,由于采用了同轴引出结构,在提高能量引出的同时还能有效吸收漂移管中被利用过的电子,因此这种新型虚阴极振荡器能够获得较高的输出功率. 模拟的电子束电压为400 kV,电流为50 kA,主频为4.5 GHz,峰值功率达到6 GW,平均输出功率为3.1 GW,束波转换效率达到15%. 关键词： 高功率微波 同轴虚阴极振荡器 粒子模拟 束波转换效率     

新型径向三腔同轴虚阴极振荡器的模拟研究

 提出了一种新型的径向三腔同轴虚阴极振荡器，并对其进行了理论分析和数值模拟。这种虚阴极振荡器采用径向三腔结构，通过改变束-波互作用区的电场分布来提高电子束与TM₀₁模式的耦合效率，并通过采用准谐振腔的结构来进一步抑制模式竞争以获得较高的输出微波增益。同时采用能量同轴提取的方式进一步提高器件的功率和效率。粒子模拟结果表明，在二极管电压400 kV，束流50 kA的条件下，径向三腔同轴虚阴极振荡器在4.14 GHz处获得了平均功率约2.45 GW的微波输出，功率转换效率达到12％。输出微波模式纯度较高，频谱非常窄。     

虚阴极振荡器中微波频率的研究

 在虚阴极振荡器的实验中，同时得到了几百兆瓦5.17GHz和几兆瓦7.74GHz的微波输出。根据虚阴极振荡器的单电荷层模型可知，主频5.17GHz的微波由虚阴极自身振荡产生；7.74GHz 的微波由虚阴极自身振荡与虚阴极振荡或电子往返振荡产生的调制束流相互作用产生。     

同轴虚阴极谐振效应研究

中国工程物理研究院应用电子学研究所的一些实验表明由阳极反射板、阳极网和阴极发射的电子束形成的环状虚阴极围成的准谐振腔是决定同轴虚阴极输出微波功率和传输模式的关键所在. 在二极管电压350kV，电流23kA条件下，获得了500MW的微波输出功率，能量转换效率约6.2％，工作频率3.3GHz，输出微波主要由TM₀₁模式和TE₁₁模式组成. 对同轴虚阴极的谐振效应进行了分析. 关键词： 高功率微波 同轴虚阴极 谐振腔 模式竞争     

Spectrum reshaping of amplified pulse in silicon nanowaveguide

A device consisting of a cascaded semiconductor optical amplifier (SOA) and silicon on insulator (SOI) optical waveguide is presented to amplify and reshape the frequency spectrum of optical pulses in the picoseconds time duration. Numerical simulations show that the output spectrum of the amplified pulse by SOA can be effectively reshaped by utilizing the SOI waveguide. The length of the SOI waveguide may be judiciously adjusted to significantly reduce the frequency chirp of the output pulse from the SOA resulting in reshaping of the output spectrum. We find that the property of pulse spectrum is sensitive to the input pulse power and its temporal width.     

线性调频半导体激光器自混频干涉理论模型

使用半导体激光器在弱反馈条件下的动力学理论,建立了线性调频半导体激光器的自混频干涉理论模型.基于该模型,分析了激光器振荡频率偏移与输出功率变化特性.通过测量激光器输出功率谱,可以得到激光器前端面与被测目标之间的距离.     

覆盖可见光波长的掺Er光纤飞秒光学频率梳

飞秒光学频率梳波长覆盖范围向可见光波长扩展对于碘稳频激光的绝对频率测量以及光钟研究中钟激光的绝对频率测量都具有十分重要的意义. 本文在自行研制掺Er光纤飞秒光学频率梳的基础上, 采用放大-倍频-扩谱的方案, 实现了激光输出波长向可见光波长的扩展. 掺Er光纤飞秒光学频率梳输出的一部分光激光脉冲, 功率约为8 mW, 首先经掺Er光纤放大器将功率提高到531 mW, 此后利用MgO: PPLN晶体倍频, 倍频后激光的功率为170 mW, 倍频效率为32%, 脉冲宽度为85 fs. 倍频后的激光通过光子晶体光纤进行光谱展宽. 通过优化入射光偏振状态可以实现波长覆盖500-1000 nm, 输出功率为85 mW, 耦合效率为50%. 采用小型化碘稳频532 nm Nd: YAG激光器输出激光与光学频率梳光谱展宽后的激光进行拍频可以获得30 dB的拍频信号. 覆盖可见光波长的掺Er光纤飞秒光学频率梳为可见光范围内激光的绝对频率测量提供了技术手段.     

Theoretical analysis of polarization control for the stable output of multi-carrier source based on a re-circulating frequency shifter

Fluctuating polarization state-of-light in the optical loop is an important factor that seriously influences the output performance of a multi-carrier source based on re-circulating frequency shifter (RFS). The reason for output spectrum instability when no polarization controller (PC) is present in the loop is analyzed theoretically. Numerical simulations for the output spectra of the multi-carrier source with and without PC are conducted, and the trajectories of the several frequency components polarization states on the Poincare sphere with and without PC are compared. The results show that the performance of multi-carrier source based on a RFS can be improved effectively by adjusting the PC in the configuration properly.     

行波管放大器中辐射场的极限环振荡和混沌

以行波管放大器中辐射场的非线性不稳定阈值分析为基础，对辐射场从频率分叉到混沌的演化过程和不同区域这些非线性不稳定态的时间特性和频率特性进行了研究.在“软”非线性区域，辐射场表现为极限环振荡和频率分岔，频谱是离散的且相对于载波频率是不对称的.这种不稳定是阵发性的，适当的调节控制参量，可使器件工作在所需的定态或极限环振荡态上；在“硬”非线性区域，辐射场表现为非周期的随机振荡和频率混沌，频谱连续且频带很宽，场幅值较大的成分集中在接近于零频的低频范围里.这种不稳定是连续性的，不能通过调节参量来消除. 关键词： 行波管 辐射场 分岔 极限环 混沌     

A theoretical investigation of wedged capacitive strip-grating output couplers for optically pumped terahertz lasers

The output power for terahertz lasers influenced drastically by slight changes in the transmittance of the output coupler for a certain terahertz frequency has been discussed in the paper. Therefore it is necessary to design an output coupler whose transmittance does not rapidly modulate with frequency. To obtain the flat and accurate transmittance spectrum in a narrow wavenumber interval (say 3 cm⁻¹), a wedged output coupler is proposed. This conclusion has been revealed after analyzing the disadvantages of two types of capacitive strip-grating output couplers, and theoretically studying its transmission properties. The theoretical results show that the coupler can not only provide flat and accurate transmittance spectrum and thus effectively suppress the etalon effects occurring frequently in previous experiments but also thoroughly eliminate the transmittance sensitivity to the slight shift of substrate thickness. Moreover, the wedged substrate of the improved output coupler can be used repeatedly in the process of adjusting the strip-grating parameters to meet various transmittance requirements for optically pumped terahertz lasers.     

一阶线性系统的调参随机共振研究

分析了一阶线性系统在正弦和白噪声信号作用下的输出功率谱和信噪比.研究表明,加性噪声作用下的线性系统不存在传统意义上的随机共振,但却存在输出信噪比随系统参数非单调变化的调参广义随机共振现象.针对任意频率信号,分析了不同采样频率下的调参共振谱特性,得出适当增大采样频率有利于特征信号识别的结论.     

单光子波长调制吸收光谱用于1.5 μm激光器的波长锁定

提出了一种kHz调制频率量级的单光子调制技术,实现对激光器的实时锁定. 通过探测乙炔气体的单光子吸收光谱,对离散的单光子响应脉冲进行锁定放大, 获得激光器频率锁定的鉴频曲线.将1.5 μm分布反馈半导体激光器的输出频率稳定在乙炔气体 ν₁ + ν ₃带P5e支吸收峰上,在175 s内典型激光频率起伏小于25 MHz. 这种基于单光子波长高频调制吸收光谱的稳频技术消除了低频段较高背景的噪声, 可应用于单光子量级的量子保密通讯系统以及光学波分复用系统.     

激光频率调制线型分析

在激光频率调制的理论分析中,一般采用正弦波调制、正弦波解调,而没有讨论调制和解调的其它情况。本文主要分析了Guass线型吸收的情况下,锯齿波调制、方波解调的一次、二次谐波相检结果和三角波调制、方波解调的一次、二次谐波相检结果,以及调制深度对信号谱形和信号强度的影响。我们发现,在锯齿波调制、方波解调情况下,一次、二次谐波谱形和正弦波调制情况区别很大;但在三角波调制、方波解调情况下,可以获得和正弦波调制、正弦波解市场相似的结论。另外,不同的调制深度对输出的调制谱形也有重要的影响。我们还用甲烷的可调谐 红外光调制吸收光谱实验验证了理论分析结果。最终得到结论：频率调制谱的信号谱形及信号强度与调制波形、解调波形和调制深度均有关系。     

激光光源线宽对外差探测性能的影响

本文根据统计理论分析了激光线宽对外差探测结果的影响, 并讨论了激光线宽对杨氏干涉条纹对比度的影响. 本文基于解析结果做了数值仿真, 所得结果表明激光线宽增加时, 外差探测方式仍可以检测到中频信号, 但在线宽较大时, 受噪声影响无法准确地提取到中频频率. 为验证理论分析结果, 使用线宽为1 MHz的激光光源进行了8.1 km外场实验, 实验结果与数值分析结论一致, 即不会因为线宽增加而无法检测到中频信号. 文中所得结论对于外差探测光源的选择有重要指导意义, 因此根据测量目标的特性和测量要求, 可按照文中结论评估光源的线宽指标.