光泵THz激光器输出频率稳定特性研究

在太赫兹(THz)成像、雷达探测、相干通信等许多应用领域中,THz辐射源的频率稳定性是直接影响其应用效果的核心问题之一。基于双光子迁移效应建立了光泵THz激光器输出激光频率漂移的物理模型,推导出THz激光频率漂移的解析计算公式。以光泵甲醇(CH₃OH)为例, 给出了不同压强下的甲醇吸收谱线,定量分析了泵浦光频率漂移和泵浦功率对THz激光频率稳定性的影响,并讨论了THz激光腔内工作气体压强对THz激光频率漂移的影响。研究结果表明：随着泵浦光功率的增加,THz激光频率的漂移量逐渐增加;随着THz腔内工作气体压强升高,THz激光的频率漂移逐渐下降;当泵浦光频率漂移量在一定范围时,将出现THz激光的频率漂移量极值,且泵浦光的频率漂移量等于工作气体吸收谱线宽度的1/4时,THz激光输出的频率漂移达到极值。由此可见,在实际工作中,不仅需要合理选择腔内的工作条件(压强、温度),而且还需要采取措施将泵浦光的频率漂移控制在一定范围以内,以提高THz激光的输出频率稳定性。     

0.14THz行波管的设计与实验研究

以折叠波导作为为慢波结构进行研究分析,利用三维电磁仿真软件HFSS和CST,对0.14THz行波管模型进行了折叠波导慢波结构、电子光学系统和输入输出窗等的模拟设计,并完成了整管的PIC注波互作用的仿真计算与优化。进行了整管的焊接工艺设计和热测实验,研制出的样管在电压15.4kV、电流17.4mA下,脉冲工作输出最大功率为8.3 W,输出中心频率为140.8GHz,最大增益为28dB,-3dB带宽为2.9GHz。     

同轴交错圆盘加载波导慢波结构高频特性的研究

采用多导体传输线分析方法, 对同轴交错圆盘加载波导慢波结构进行了理论分析, 得到了这种慢波结构的色散方程; 利用该色散方程, 得到的色散特性与HFSS仿真软件模拟结果符合良好. 分析了结构参数的变化对同轴交错圆盘加载波导慢波结构的色散特性影响. 结果表明: 增加内径和减小慢波结构的单位周期长度可以拓展慢波结构的带宽. 对同轴圆盘加载波导和同轴交错圆盘加载波导两种慢波结构的色散特性进行了比较, 结果表明: 采用圆盘交错加载方式可以减弱色散, 拓展带宽. 研究结果对同轴交错圆盘加载波导在毫米波行波管中的应用具有指导意义. 关键词： 行波管 同轴交错圆盘加载波导 慢波结构 色散特性     

0.14 THz瓦量级折叠波导行波管设计

在本课题组此前采用显式方法设计0.14 THz宽带折叠波导慢波结构的基础上,设计了一种0.14 THz瓦量级输出折叠波导行波管。通过CST MWS软件分析结构尺寸对冷测特性的影响规律来确定一组慢波结构参数,然后对电子枪、永磁聚焦系统、输入输出结构、衰减结构及收集极系统进行设计,最后经过CST PS软件进行整管热测特性仿真模拟。此过程不断迭代,最终找到一组结构参数满足频率在0.14 THz、输入功率为20 mW时,折叠波导行波管输出功率大于6 W。为了验证设计的电子光学系统的正确性,加工装配了一根流通管,并进行了流通率测试,测得流通率大于80%。     

基于光子晶体的双波长太赫兹波功分器研究

太赫兹波技术和光子晶体技术相结合为设计太赫兹波功能器件提供了新的思路和方法.本文提出了一种基于二维光子晶体的双波长太赫兹波功分器.在光子晶体中引入由三个相互平行的单模波导形成的定向耦合型分束器和Y型结构的1×2型分束器,同时,在Y型结构的分支处分别引入两个介质柱.利用平面波展开法和定向耦合原理计算了在不同入射波频率下,耦合波导的耦合长度,并采用时域有限差分法对功分器的传输特性进行了模拟仿真分析.结果表明,在频率f1=1.0THz时,实现了端口1和端口2的能量均分输出;在频率f2=0.893THz时,通过非对称改变两个介质柱的折射率,可以实现端口3和端口4输出能量的自由分配.     

中心频率为0.225 THz的两路波导功率合成器

 采用基于场匹配理论的数值计算和仿真技术对中心频率为0.225 THz的两路波导功率合成器的场分布特性及合成效率进行了研究。数值计算结果表明:随着两路输入波相位差的增大,合成波束的峰值场的幅值逐步减小;增加输入波导间隔板厚度,合成波束峰值场的位置逐步远离输入端口,使合成波导的长度增加;仿真和数值计算得到了基于一致的结果。仿真结果表明:当两路输入信号的相位差小于35°时,合成效率大于90%,带宽为10.000 GHz。     

0.34 THz双注高次模折叠波导行波管高频系统设计

高频系统是行波管的核心部件,它会直接影响行波管的工作频率、带宽、增益等性能指标。为了获得更大的输出功率和更高的增益,对0.34 THz双注高次模折叠波导行波管的基本特性进行了研究,计算了双注折叠波导的色散特性和耦合阻抗,并与仿真结果进行对比,结果显示色散特性随频率升高差距增大,耦合阻抗在高频段匹配较好,并研究了损耗特性。利用CST仿真工作室对双注折叠波导的注波互作用特性进行了仿真,实现41.68 W输出。为了获得更高的输出,通过增大直波导高度,最终使输出功率提高了52.7%,达到63.12 W。最后设计了符合要求的盒型输出窗和模式转换器,验证了高频系统的传输特性。     

小型化外腔可调谐THz参量振荡器

基于LiNbO3晶体垂直表面输出技术,设计了一台小型化外腔THz参量振荡器。利用小型化灯1064 nm脉冲激光器泵浦MgO:LiNbO3,通过优化设计三波非共线相位匹配的光学参量振荡腔结构,实现THz垂直晶体表面输出,减少LiNbO3晶体对THz波的吸收,提高了THz波输出光束质量。当在泵浦光能量为128 mJ、重复频率为10 Hz时,获得THz波的调谐范围为0.69~3.01 THz,在1.6 THz处获得THz波最大平均功率为10.8 W,脉冲宽度为10 ns,对应THz波能量转换效率为8.4310-6。     

增益饱和对光学差频产生太赫兹辐射的功率和稳定性的影响

数值模拟并分析了以GaSe晶体为例对光学差频产生太赫兹（THz）波的特性.结果表明：当THz波长为227.5 μm,晶体长度为26.3 mm时,产生THz波功率达到增益饱和,在增益饱和点输出最高峰值功率可以达到945 W.由于晶体吸收的影响,THz波的增益饱和区是输出功率的非稳定区,而THz波的输出稳定区位于增益饱和区之后,在稳定区的THz波稳定性取决于抽运光的稳定性.当THz波波长为227.5 μm时,达到稳定区所需晶体长度为37.9 mm,此时THz波输出峰值功率可以达到735 W. 关键词： 光学差频 太赫兹辐射 稳定性     

用于速调管功率合成输出结构的转向波导设计

 为X波段高峰值功率速调管功率合成输出结构设计了一个工作在9 GHz的转向波导，用于连接功率合成器和速调管输出腔。转向波导结构由中心矩形谐振腔、两个矩形耦合孔和两边的输入输出波导组成；输入和输出波导由速调管输出腔和功率合成器确定，分别工作在TE₁₀和TE₀₁模式，它们相互垂直并偏离矩形谐振腔的中心；中间的矩形谐振腔工作在TM₁₁₀，TE₁₀₁和TE₀₁₁混合模式。这种转向波导结构的3个反射零点构成了较宽的传输通带。将连接转向波导结构的功率合成器加载到速调管输出腔,计算了功率合成器加载后速调管输出腔的间隙阻抗。计算结果表明：功率合成器的加载对输出腔间隙阻抗影响不大。设计的转向波导结构很好地应用到了速调管功率合成输出结构中。     

相对论行波管高频系统的数值模拟及实验验证

 分别采用有限元算法软件（HFSS）和有限积分法软件（MAFIA）对相对论行波管盘荷波导慢波结构进行建模，求出了相应的色散曲线。在此基础上设计了可用于相对论行波管的一种宽带和一种窄带的盘荷波导结构。加工了它们的冷测模型，测试曲线和模拟曲线吻合很好，从而验证了这两种软件尽管计算方法不同，但都可以对行波管慢波结构本征值问题进行求解。     

同轴膜片加载圆波导相对论行波管注-波互作用线性理论研究

 从改善圆盘加载波导作为相对论行波管慢波结构的特性入手，加入同轴内导体，着重研究其小信号理论。利用场匹配法导出了“热”色散方程并计算求解，具体分析了系统的电子注参量及慢波结构几何尺寸对小信号增益及慢波相速的影响,为同轴圆盘加载相对论行波管的设计提供了理论基础。     

Design of a C-band relativistic extended interaction klystron with coaxial output cavity

In order to overcome the disadvantages of conventional high frequency relativistic klystron amplifiers in power capability and RF conversion efficiency, a C-band relativistic extended interaction klystron amplifier with coaxial output cavity is designed with the aid of PIC code MAGIC. In the device, disk-loaded cavities are introduced in the input and intermediate cavity to increase the beam modulation depth, and a coaxial disk-loaded cavity is employed in the output cavity to enhance the RF conversion efficiency. In PIC simulation, when the beam voltage is680 k V and current is 4 k A, the device can generate 1.11 GW output power at 5.64 GHz with an efficiency of 40.8%.     

HEM11模磁绝缘线振荡器的高频分析

作为小型化和紧凑型的高功率微波源,磁绝缘线振荡器(MILO)在过去十几年里得到了广泛的研究和发展.在大多数研究中,最低的对称模一直被当作器件的主模.然而,由于结构的对称性或者电子发射均匀度不理想等原因,很容易激励起非对称模式.计算了MILO同轴结构中同时包含对称模和非对称模的本征方程.在此基础上,通过对结构的优化设计,提出了一种HEM₁₁模工作的MILO,并开展了原理性实验.在二极管的电压为480kV,电流为39kA条件下得到了功率为1.2GW,脉冲宽度为40ns的微波输出,功率转换 关键词： 磁绝缘线振荡器 高频特性 11模')" href="#">HEM₁₁模 开放腔     

带状注速调管高频结构的初步研究

 利用3维软件设计并模拟了适用于X波段高功率带状注速调管的“Ⅱ”形谐振腔，根据模拟结果分析了腔体各尺寸对电场均匀性的影响；建立了平面对称结构的3维高频互作用系统模拟平台，应用此平台讨论了扼流器法和漂移管窄壁开槽法这两种抑制漂移管中非工作模式的方法；分析了漂移管的尺寸及漂移头对谐振腔内场分布的影响。研究表明：波导高度、耦合腔宽度和高度对带状注速调管谐振腔间隙的电场均匀性影响较大；而波导长度和宽度、耦合腔长度对该电场均匀性影响不大；腔体连接处加上漂移头可使场分布更加集中；该型带状注速调管谐振腔能够产生均匀的电场，为提高注波互作用效率奠定了基础。     

一种柱-锥盘荷波导的色散关系

 导出了柱-锥盘荷波导的色散方程，并通过数值计算分析了这种慢波结构的几何参数对相对论行波管运行频率和通带的影响，与柱形盘荷波导相比，这种慢波结构的上截止频率高于柱形盘荷波导,因此，可以得到较高的运行频率和较大的通带,为设计这种慢波器件提供了依据。     

Study of Disk-Loaded Waveguide Filled with Plasma

Recently disk-loaded waveguide has been widely used in high-power traveling wave tubes (HPTWT). It has been shown in many experiments that the interaction efficiency and output power can be increased greatly by injecting plasma into the vacuum microwave device. Using field analysis, the dispersion characteristics and the interaction impedance of the disk-loaded waveguide filled with plasma are analyzed in a strong longitudinal magnetic field. In conclusion, the frequency of the TM₀₁ mode increases as the density of the plasma increases. It also can be found when the plasma density increases to a large scale, the TM₀₁ mode of the disk-loaded waveguide overlaps the TG mode, these two modes couple each other and form the new hybrid modes.     

等效电路计算同轴输出腔TM310模式的间隙阻抗

设计了外Q值较小,工作于高阶横磁TM310模的X波段速调管单间隙同轴输出谐振腔。用微波等效电路理论计算了高阶横磁TM310模情形六个漂移管的等效间隙中心位置,由此计算腔内等效间隙中心到输出波导内横向膜片的等效长度。以MATLAB编程计算得到同轴谐振腔TM310模式加载矩形波导滤波器输出回路的间隙阻抗,其结果与传统冷测模拟法计算结果吻合。验证了等效长度计算方法的正确性,用于圆柱腔基模的传统微波等效电路理论能用于分析同轴谐振腔高阶横磁模式输出回路,且比传统的冷测模拟法及场分析法更为快捷。     

Study on the Characteristics of the Rib-Loaded Disk-Loaded Waveguide

The disk-loaded waveguide with bandwidth of only 2%-8% is a kind of narrow band structure. A new rib-loaded disk-loaded waveguide with wider bandwidth than the general one is suggested in the paper. The author develops the method of calculating the axial periodic waveguide by expanding the slow-wave structure's boundary function in Fourier series, so that it can be adopted in rib-loaded disk-loaded waveguide. By the method, the dispersion characteristics and interaction impedance of a Ka band rib-loaded disk-loaded waveguide are analyzed.