1μm/1.5μm基于非互易性相移器的高重频飞秒光纤激光器

高重频的飞秒脉冲激光器在工业加工、医疗、精密测量等各个领域都有着重要应用。为了分析“9”字腔锁模激光器的自启动性能,利用琼斯矩阵建立了非线性放大环形镜的传输函数,分析了环形镜中不同波片角度对腔内往返传输函数的影响。搭建了基于非线性放大环形镜的光纤激光器,分别使用了掺镱光纤、掺铒光纤作为增益介质,在1μm和1.5μm波段分别实现了重复频率为600 MHz和280 MHz的基频锁模。所设计的激光器具有脉宽窄、光谱宽、稳定性好、自启动成功率高的特点,激光器完成了集成化封装,能够满足微纳加工、激光医疗、光频率梳等领域对飞秒激光的应用需求。

高重频激光对测距机干扰试验研究

高重频激光干扰是对脉冲式激光测距机的一种有效干扰手段,为探究高重频激光对测距机干扰效能的影响因素及规律,开展相关的理论分析与试验研究。试验研究了干扰激光的功率、重复频率及干扰距离对测距机干扰效能的影响。结果表明:存在一个与干扰激光频率相关的最小干扰距离,干扰激光的重复频率越高,最小干扰距离越小,有效干扰距离范围越大。当实际干扰距离大于最小干扰距离时,若干扰激光的功率不足,则无干扰效果;干扰成功后继续增大干扰激光功率,则被干扰后测距结果会趋于正态分布,且干扰激光功率越高,测距结果正态分布中心越趋近于最小干扰距离,但受干扰的测距结果最小值会始终分布于测距机盲区附近。

超高重频卫星激光测距时序电路实现及应用

高重频卫星激光测距(Satellite Laser Ranging,SLR)具有精度高、捕获快、观测数据量大、可靠性高等优势。但随着重复频率提升至百千赫兹以上,现有测量时序电路无法达到系统运行处理速度和实时后向散射规避等要求。本文提出超高重频卫星激光测距时序电路设计方法,采用FPGA代替控制计算机进行门控距离实时计算,精确产生门控信号控制探测器开启,并使用了收发交替的方式实时调整激光点火信号以规避后向散射干扰。能够自主完成激光测距中距离门控输出时刻的计算、存储和信号输出,最高工作频率大于500 kHz,满足百千赫兹超高频率测距的要求。该系统已成功应用于上海天文台100 kHz重复率SLR,标准点精度突破200μm,验证了基于FPGA的测距时序电路的正确性和潜力。该电路设计简单、分辨率高、上位机交互方便,为百kHz~MHz的超高重频SLR系统时序控制电路设计提供有效解决方案。

高重频声光门控自吸收免疫激光诱导击穿光谱技术分析研究

为了消除激光诱导击穿光谱技术(laser-induced breakdown spectroscopy,LIBS)中的自吸收效应,提高元素定量分析的精确度,同时满足工业中便捷分析元素的要求,需将自吸收免疫激光诱导击穿光谱技术(self-absorption free laser-induced breakdown spectroscopy,SAF-LIBS)的装置小型化。本文提出了一项新型的高重频声光门控SAF-LIBS定量分析技术,使用高重频激光器产生准连续的等离子体以增强光谱强度,并将声光调制器(acousto-optic modulator,AOM)作为门控开关,从而使微型CCD光谱仪和AOM能够代替传统大型SAF-LIBS装置中的像增强探测器(intensified charge coupled device,ICCD)和中阶梯型光栅光谱仪,实现自吸收免疫的同时缩小了装置的体积,降低了装置的成本。将该系统参数进行优化选择后,对样品中的Al元素进行了定量分析和预测。实验结果表明,等离子体的特性受激光重复频率的影响进而会影响光谱信号的强度。在1~50 kHz激光重复频率范围内,Al I 394.4 nm和Al I 396.15 nm的双线强度先增强后减弱,确定最佳的激光重复频率为10 kHz。在不同的光纤采集角度下,Al的双线强度比随延迟时间的增加而减小,在45°处信噪比最高,且在一定的积分时间下,最佳光学薄时间t_(ot)为426 ns。在激光重复频率为10 kHz、光纤采集角为45°、延迟时间为400 ns的条件下,对Al元素进行定量分析和预测结果表明,Al元素定标曲线的线性度R2为0.982,平均绝对测量误差相对于单一LIBS的0.8%可以降低至0.18%。定量分析结果与传统大型SAF-LIBS装置的测量精度相持平。因此本高重频声光门控SAF-LIBS装置不仅有效地屏蔽了光学厚等离子体中的连续背景辐射和谱线加宽,同时具备小型化、低成本、高可靠性的优点,有助于推动SAF-LIBS技术由实验室走向工业应用。

高重频飞秒激光诱导磁性镍薄膜产生LIPSS的研究

飞秒激光诱导周期性表面结构(Laser-Induced Periodic Surface Structures,LIPSS)是使用线偏振激光作用于材料时最常见的一种表面形貌,一直被研究人员广泛关注,但是在磁性薄膜上诱导产生LIPSS的研究仍相对较少,因此研究高重频飞秒激光作用于磁性薄膜材料后材料磁学性质的变化是十分必要的。实验使用中心波长1030 nm、脉冲宽度300 fs、重复频率100 kHz的飞秒激光在厚度为100 nm的镍薄膜上进行线扫描,诱导产生了LIPSS。光学显微镜和电子显微镜图像显示,在高重频飞秒激光的热效应影响下,LIPSS条纹的周期测量值约为989 nm。通过X射线衍射仪和超导量子干涉仪对写有周期性LIPSS结构的样品进行测试并分析,证明了产生LIPSS过程中导致的材料原子重组并没有改变镍膜的颗粒大小和组成成分,飞秒激光作用后的磁性材料的饱和磁化强度也基本与原样保持一致,但其矫顽力发生了明显的变化,笔者认为这是由于加工过程中喷溅出的极少量反铁磁氧化镍颗粒产生的钉扎效应所导致的。

高重频激光诱导击穿光谱结合卷积神经网络的岩石岩性分析研究

地质分析能为地质资源勘探提供重要的信息和依据。激光诱导击穿光谱(LIBS)技术是一种快速、准确和原位的岩石分析判别方法。将高重频LIBS技术应用于岩石样品的岩性分析,再结合卷积神经网络(CNN)模型进行分类,不仅解决了传统大能量单脉冲激光器体积大、重量沉等问题,还克服了机器学习需要人为调整参数的不足,同时也顺应LIBS技术逐渐向着便携化、小型化、精确化以及智能化的发展趋势。本研究利用高重频LIBS实验平台对岩石压片样品进行光谱采集,根据岩石的产地和岩性,将岩石样品分为5类和9类,结合1D-CNN和ResNet34卷积神经网络模型对岩石进行分类识别。研究结果表明,针对两种样品分类情况,平均分类识别准确率分别达到99.43%和97.14%,高重频LIBS与CNN模型结合可以实现良好的岩石分类结果。最后基于MATLAB App Designer开发了用于岩石岩性分析的系统软件,实现了对岩石的快速分类,提高了地质勘查效率。

随机重频激光制导雷达抗高重频干扰技术

为了能有效对抗高重频干扰,在分析高重频干扰破坏激光制导雷达信号处理机理的基础上,采用了随机重频照射激光波形,并利用激光目标指示器、目标和探测器的先验距离、速度特征,提出了基于自适应交叠波门的高重频干扰信号排查和鉴别方法,有效控制了重频干扰对目标捕获环节的影响,形成一套从波形设计到信号处理、目标捕获的端到端的抗高重频干扰解决方案,并进行了理论分析和实验验证。结果表明,在不同干扰场景下,有效捕获目标的时间均低于0.2 s,捕获时间在亚秒量级,与无干扰背景下目标典型捕获时间相当。此技术可有效对抗数十赫兹到250 kHz的固定/随机重频干扰,有利于提高制导武器对抗重频干扰的能力。

高重频纳秒脉冲激光光子推进冲量特性研究

随着激光推进技术的发展,激光辐照光压推进技术成为深空探测的推进技术热点。目前激光光子推进以连续激光远距离传输辐照光压推进为主,而短脉冲激光具有峰值功率高的优势,因此,提出了一种纳秒高重频脉冲激光光子推进技术。利用扭摆微冲量测量装置研究了高重频纳秒脉冲激光光子推进的冲量特性。实验中谐振腔输出的激光波长为1064 nm,脉宽为160 ns,重频为10 kHz。输出耦合镜采用反射率为90%的反射镜,实验过程中腔内对应的激光功率范围为144 W~414 W。对于采集的扭摆原始数据采用局部滑动拟合方法,较好实现了数据的平滑降噪处理。实验结果表明,光压冲量随输出激光功率的增加呈线性增加。通过进一步计算,分别获得了单脉冲激光对应的光压冲量和脉冲时间内的平均光压推力。研究成果为空间推进中的激光辐照光压推进技术的发展提供了技术参考。

高重频自由电子激光装置快速逐束团控制系统设计

为优化高重频自由电子激光的性能,在第一级束团压缩器前引入一个常温射频腔,通过施加微小的啁啾到电子束上,实现对束团压缩逐束团控制。利用该常温射频腔,通过调整幅度以及相位的方法,对束团长度和束团到达时间等纵向参数进行快速反馈,从而确保束团品质。实验表明,本设计实现动态束团长度调控,对于未来自由电子激光设施的设计和运行具有借鉴意义。

高重频窄脉宽多波长激光器可靠性分析

本文对高重频窄脉宽多波长激光器的可靠性进行了分析及验证,建立了高重频窄脉宽多波长激光器的框图法模型。在初始设计阶段开展激光器的可靠性分析,定量计算了激光器各单元的可靠性结果,包括失效率λ和平均无故障工作时间(Mean Time Between Failure,MTBF),预计激光器整机的无故障工作时间为1798.8 h。为满足激光器的设计指标要求,通过选用高品质晶体、半导体激光器的Ⅰ级降额设计和电源控制的冗余设计,实现激光器的可靠性优化。经优化设计后,激光器整机的无故障工作时间达2260.9 h。搭建激光器整机对可靠性优化设计结果进行验证,验证结果表明:激光器无故障工作时间可达2400 h。

高重频大能量1.6μm波段全固态激光的研究进展(特邀)

1.6μm附近波段激光不仅属于人眼安全波段,而且处于大气传输窗口,不仅如此,高重频、大能量的1.6μm附近波段激光还可携带高分辨率、大数据量的信息远距离传输。近年来随着晶体制备和镜片镀膜工艺的提高,通过直接泵浦增益介质和频率转换技术获得1.6μm附近波段的激光在重复频率、能量和光束质量等方面都得到了很大进展。首先,介绍了直接泵浦掺Er3+晶体、受激拉曼频移和光参量振荡产生1.6μm附近波段激光的原理和研究进展;其次,总结了三种方案在获得1.6μm附近波段激光的优点和缺点;最后,分析了它们在获得高重频、大能量1.6μm附近波段激光的应用前景。针对光参量振荡输出激光光束质量较差的问题,文中进行分析并给出相应解决方法,最后对通过光参量振荡获得较好光束质量、高重频、大能量1.6μm附近波段激光的发展前景进行了展望。

高重频激光对多激光制导武器干扰机理研究

本文基于仿真计算方法,研究高重频激光对多激光制导武器的干扰机理。发现重复频率与波门宽度是影响总干扰有效概率的主要因素,干扰反应时间与激光制导信号样式对总干扰有效概率的影响较小,重复频率取整数值则会增大干扰有效概率的不确定性。针对性提出了“一对多”干扰、提前干扰、重复频率避免取整数等改进措施,研究结论可为提升高重频激光对多激光制导武器干扰效果提供参考。

无载波高重频电磁脉冲对电子侦察设备干扰机理分析

电子侦察设备具有极高的信息获取能力,特别是战场感知能力,被广泛应用在各种领域。为提高被侦察装备侦测的目标的生存概率,研究简单、快速、隐蔽性好、高效的电子千扰方法,进而使我方被侦测目标(直升机、运输机、歼击机、无人机、舰艇等)在战场复杂电磁环境中获得有效保护,具有重要意义。高功率、高重频电磁脉冲干扰作为一种新型电子干扰方式,具有一机多用、反应快速、干扰机理先进等优势,与传统的电子干扰方式相比各有自身的优势与特点,可彼此相结合,技术互补,提高电子干扰能力,增强我方被侦测目标战场生存力。通过数值建模仿真,对电磁脉冲对电子侦察设备的干扰机理进行分析。

无载波高重频电磁脉冲对电子侦察设备干扰机理分析

电子侦察设备具有极高的信息获取能力,特别是战场感知能力,被广泛应用在军事领域。为提高被侦察装备侦测的目标的生存概率,研究简单、快速、隐蔽性好、高效的电子干扰方法,进而使我方被侦测目标(直升机、运输机、歼击机、无人机、舰艇等)在战场复杂电磁环境中获得有效保护,具有重要意义。高功率、高重频电磁脉冲干扰作为一种新型电子干扰方式,具有一机多用、反应快速、干扰机理先进等优势,与传统的电子干扰方式相比各有优势与特点,可彼此相结合,技术互补,提高电子干扰能力,增强我方被侦测目标的战场生存力。通过数值建模仿真,对电磁脉冲对电子侦察设备的干扰机理进行分析。

kV/MHz高重频可重构脉冲产生技术研究

针对当前超快脉冲和超高重频脉冲产生技术需求,基于固态半导体开关技术和脉冲合成技术,提出了一种基于延时触发控制的高重频可重构脉冲产生方法,研制了kV/MHz高重频可重构脉冲源原理型装置。测试结果表明,该脉冲源能够稳定输出幅度为1 kV、重复频率1 MHz、前沿时间约700 ps的亚纳秒脉冲,通过精确调节各脉冲触发时间顺序还可灵活改变脉冲前沿、脉宽和波形等参数,并能实现1~50 MHz重复频率的参数调节,可有效满足电子对抗、超宽带探测及通信等行业领域的应用需求。

高重频激光对激光半主动制导导弹干扰效能仿真分析

对抗激光半主动制导导弹,高重频激光干扰是一种有效手段。为分析高重频激光对采取不同脉冲录取技术的导弹的干扰效能,建立了高重频激光干扰效能模型。分别对导引头波门首次干扰成功的概率、第二次干扰成功的概率以及将目标指示信号诱偏出波门所需干扰次数进行了仿真模拟,研究了高重频激光重复频率、波门宽度等因素对干扰效能的影响。仿真结果表明,对采取首(末)脉冲录取技术的导弹,干扰重复频率越高,波门宽度越宽,干扰成功的概率越高,将目标指示信号诱偏出波门所需的次数越少。对采取最优时序脉冲录取技术的导弹,首次干扰时,干扰重复频率越高,波门宽度越宽,干扰成功的概率越高;在首次干扰成功的条件下,第二次干扰成功的概率随干扰激光重复频率的增长而趋于平缓;并且将目标指示信号诱偏出波门所需的最佳干扰频率位于波门宽度倒数附近。研究成果可为装备研制及作战运用提供参考。

5.2 W高重频257 nm深紫外皮秒激光器

为了提高半导体检测用深紫外激光器的检测效率,需要搭建高功率、高重频257 nm深紫外皮秒激光器实验平台。本文以光子晶体光纤放大器和腔外四倍频结构为基础,进行了257 nm深紫外激光器的实验研究。种子源采用中心波长为1030 nm、脉冲宽度为50 ps的光纤激光器,输出功率为20 mW,重复频率为19.8 MHz。通过两级掺镱双包层(65μm/275μm)光子晶体光纤棒放大结构,获得了1030 nm高功率基频光。利用二倍频晶体LBO、四倍频晶体BBO,采用腔外倍频方式获得了257 nm深紫外激光。种子源通过两级光子晶体光纤放大器输出的1030 nm基频光,输出功率为86 W,经过激光聚焦系统后,倍频得到二次谐波515 nm激光输出功率为47.5 W,四次谐波257 nm深紫外激光输出功率为5.2 W,四次谐波转换效率为6.05%。实验结果表明,该结构可获得高功率257 nm深紫外激光输出,为提高半导体检测用激光器的检测效率提供了新思路。

一种高重频废束桶束窗的设计及热结构分析

深圳中能高重频X射线自由电子激光(S3FEL)将建设成为全球唯一软X射线波段的高重频自由电子激光。废束桶是S3FEL装置的重要设备,在系统调束中发挥着重要作用。废束桶束窗是废束桶的重要组成部件,用于隔离和保护加速器超高真空环境。本文对几种常用的废束桶束窗材料进行了对比分析,最终选择铍作为束窗的材料,并依此设计了一种带有水冷结构的束窗。通过蒙特卡罗方法计算得到不同厚度束窗的沉积功率,采用有限元分析方法对不同厚度的束窗进行热结构计算与分析,得到厚度为1.6 mm的水冷铍窗效果最佳,其最大温度为121.6℃,低真空为1 Pa时的最大应力与中心变形分别为198.7 MPa和0.00082 mm,低真空为101325 Pa时的最大应力与中心变形分别为204.2 MPa和0.097 mm,结果均满足使用要求。此研究为S3FEL的废束桶束窗设计提供了重要的理论依据。

一种高重频极化雷达的慢速目标检测方法研究

提出一种适用于高重频极化雷达的慢速目标检测方法。雷达采用高重频跟踪波形,利用变初相和收发极化切换的方式,实现对因距离模糊而落入近区强杂波段内的慢速目标的检测。基于高重频波形下目标与近区杂波距离模糊个数的差异,通过改变发射脉冲的初相和收发天线的极化方式,一方面改变回波中目标的等效多普勒频率,另一方面利用收发极化正交有效抑制近区杂波,减少自动增益控制对模糊在近区杂波段目标的衰减,最后完成目标与杂波在多普勒维的分辨,并通过计算机仿真进行验证。

高重频激光对激光制导武器的干扰机理分析

为了研究高重频激光对激光制导武器的干扰机理,根据高重频激光干扰原理,建立了半主动激光制导导引头编码识别模型、时间波门模型、多信号处理模型和干扰信号调制处理模型等相关理论模型,提出了导引头干扰有效的3σ判定准则。在此基础上重点研究了多源干扰和信号调制特性对高重频激光干扰效果的影响,并进行了仿真系统测试。结果表明,多源干扰和干扰信号频率调制能够有效增强干扰效果,干扰信号幅值调制对干扰效果改善作用并不明显。该研究结果将为高重频激光干扰效果评估和高重频激光干扰系统应用提供理论参考。