[发明专利]一种基于高能脉冲簇激光的光导自适应窄谱微波产生方法

摘要

本发明公开了一种基于高能脉冲簇激光的光导自适应窄谱微波产生方法，目的是解决现有微波产生方法微波产生器件体积大、频点单一和频率难调的问题。技术方案是先构建由高能脉冲簇激光器、电压源、宽带隙半导体器件和辐射输出组件组成的光导自适应窄谱微波产生器；高能脉冲簇激光器向宽带隙半导体器件输出脉冲簇重频、脉宽、包络波形、GHz高频脉冲重频都可调的高能脉冲簇激光；电压源是固态脉冲形成线，产生脉冲电压作用在宽带隙半导体器件上；宽带隙半导体器件在激光和电压的同时作用下产生高频电信号；辐射输出组件对高频电信号进行辐射，输出微波信号。采用本发明可解决微波产生器件体积大、频点单一和频率难调的问题。

主权项

1.一种基于高能脉冲簇激光的光导自适应窄谱微波产生方法，其特征在于包括以下步骤：第一步，构建光导自适应窄谱微波产生器，光导自适应窄谱微波产生器由电路调制模块和光路调制模块两部分组成，其中光路调制模块是高能脉冲簇激光器，电路调制模块由电压源(200)、宽带隙半导体器件(400)和辐射输出组件(300)三部分组成，高能脉冲簇激光器与宽带隙半导体器件(400)采用光纤或光波导连接；高能脉冲簇激光器产生脉冲簇重频、脉宽、包络波形、GHz高频脉冲重频都可调的激光，通过光纤或光波导输入到宽带隙半导体器件(400)中；高能脉冲簇激光器由激光种子源(1)、光纤预放大器(2)、光学调制模块(3)、高频信号源(4)、同步控制电路(5)、光纤放大器(6)、2块可编辑波形信号板(7)即第一可编辑波形信号板(71)和第二可编辑波形信号板(72)组成；光学调制模块(3)由声光调制器(31)和电光强度调制器(32)组成，声光调制器(31)和电光强度调制器(32)以光纤熔接器件尾纤的方式连接；激光种子源(1)的输出端与光纤预放大器(2)的输入端、光纤预放大器(2)的输出端与光学调制模块(3)的光纤输入端即声光调制器(31)的光纤输入端、光学调制模块(3)的输出端即电光强度调制器(32)的光纤输出端与光纤放大器(6)的输入端均通过光纤熔接的方式连接；激光种子源(1)的信号输入端与第一可编辑波形信号板(71)的信号输出端通过同轴信号线相连；第一可编辑波形信号板(71)的外部触发信号输入端与同步控制电路(5)的第一输出端通过同轴信号线连接；第二可编辑波形信号板(72)的外部触发信号输入端与同步控制电路(5)的第二输出端通过同轴信号线相连，第二可编辑波形信号板(72)的信号输出端与声光调制器(31)的信号输入端通过同轴信号线相连，电光强度调制器(32)的射频信号输入端与高频信号源(4)的信号输出端以同轴信号线连接；同步控制电路(5)为第一可编辑波形信号板(71)和第二可编辑波形信号板(72)提供同步时序信号；第一输出端输出的第一同步时序信号用于触发第一可编辑波形信号板(71)，第二输出端输出的第二同步时序信号用于触发第二可编辑波形信号板(72)；第一可编辑波形信号板(71)为外触发工作模式，当从同步控制电路(5)接收到第一同步时序信号时，根据微波系统光导器件对信号源脉宽的要求编辑电脉冲宽度，向激光种子源(1)发送重频和脉宽都可调的矩形信号；激光种子源(1)采用半导体脉冲激光种子源，根据第一可编辑波形信号板(71)输出的矩形信号产生脉冲重频、脉宽、幅值、时域波形均灵活可调的激光种子脉冲；光纤预放大器(2)对从激光种子源(1)产生的激光种子脉冲进行功率提高，并提升作为微波系统光导器件信号源的高能脉冲簇激光器的信噪比；光纤预放大器(2)由M级光纤放大器组成，M≥1；第二可编辑波形信号板(72)为外触发工作模式，当从同步控制电路(5)接收到第二同步时序信号时向声光调制器(31)发送预设波形电信号；声光调制器(31)是光纤耦合声光调制器，声光调制器(31)一方面从第二可编辑波形信号板(72)接收预设波形电信号，将光纤预放大器(2)输出的光脉冲波形调制为预设时域波形光脉冲，并将预设时域波形光脉冲发送给电光强度调制器(32)；另一方面声光调制器(31)关断光纤预放大器(2)输出的光脉冲间连续的自发辐射噪声；高频信号源(4)用于为电光强度调制器(32)提供频率可调的GHz量级高频正弦信号，要求高频信号源(4)输出的电压大于电光强度调制器(32)的半波电压；电光强度调制器(32)根据高频信号源(4)输出的高频正弦信号，将从声光调制器(31)接收的预设时域波形光脉冲调制为预设包络波形脉冲簇激光，使得预设包络波形脉冲簇激光内高频脉冲的重频和波形与从高频信号源(4)接收的高频正弦信号相同，并将调制后的脉冲簇激光发送给光纤放大器(6)；光纤放大器(6)对从电光强度调制器(32)接收的预设包络波形脉冲簇激光进行放大，输出矩形包络脉冲簇，光纤放大器(6)由N级光纤放大器组成，N≥2；光纤放大器(6)的输出端熔接有光纤端帽或者隔离器；宽带隙半导体器件(400)通过光纤或光波导与高能脉冲簇激光器相连，通过导电银浆与电压源(200)相连，通过同轴线与辐射输出组件相连，在激光和电压的同时作用下，产生高频电信号，并将高频电信号输出给辐射输出组件；宽带隙半导体器件(400)由半导体晶片(8)、中空金属电极(91)、实心金属电极(92)、填充材料(100)和支撑结构(101)组成；电压源(200)是固态脉冲形成线，和宽带隙半导体器件(400)的电极用导电银浆连接，产生脉冲电压作用在宽带隙半导体器件(400)上；辐射输出组件(300)是与电压源(200)阻抗相匹配的平板宽带辐射喇叭，通过SMA同轴线与宽带隙半导体器件(400)相连；第二步，高能脉冲簇激光器产生高能脉冲簇激光，向宽带隙半导体器件(400)输出高能脉冲簇激光，方法是：2.1，同步控制电路(5)输出2路重频可调的数字信号；2.2，第一可编辑波形信号板(71)被同步控制电路(5)输出的第一路同步信号触发，根据宽带隙半导体器件(400)对信号源脉宽的参数要求编辑第一可编辑波形信号板(71)的电脉冲宽度，向激光种子源(1)发送脉宽可调的矩形信号；2.3，激光种子源(1)接收第一可编辑波形信号板(71)输出的脉宽可调的矩形信号，产生脉宽可调的矩形光脉冲；2.4，光纤预放大器(2)将激光种子源(1)输出的矩形光脉冲能量放大至不超过电光强度调制器(32)的最大可承受功率，以提升信噪比；2.5，第二可编辑波形信号板(72)被同步控制电路输出第二路同步信号触发，输出与第一可编辑波形信号板(71)相同脉宽的矩形电信号；2.6，声光调制器(31)从第二可编辑波形信号板(72)接收与第一可编辑波形信号板(71)相同脉宽的矩形电信号，即不改变光纤预放大器(2)输出的激光脉冲波形，并将未改变时域波形的激光脉冲发送给电光强度调制器(32)；2.7，高频信号源(4)输出GHz量级频率灵活可调的高频正弦信号；2.8，电光强度调制器(32)根据从高频信号源(4)接收的高频正弦信号将从声光调制器(31)接收的未改变时域波形的激光脉冲调制为相同包络波形的脉冲簇激光，使得脉冲簇内高频脉冲的重频和波形与从高频信号源(4)接收的高频正弦信号相同，并将脉冲簇激光发送给光纤放大器(6)；2.9，测试光纤放大器(6)的输入脉冲簇激光包络波形、输出脉冲簇激光包络波形和脉冲簇激光能量E_out(t)，由脉冲簇能量和输入脉冲簇包络波形、输出脉冲簇包络波形计算得到含时输入脉冲簇瞬时功率P_in(t和含时输出脉冲簇瞬时功率P_out(t)，t是时间，导入内含随机并行梯度下降算法的Matlab程序中提取出包络波形，作为初始输入输出波形，计算得到与时间相关的增益曲线，经曲线拟合得到初始增益G₀和放大器的饱和能流E_sat参数，然后将矩形包络波形设为目标输出包络波形，运行Matlab程序得到预设波形电信号；2.10，根据预设波形电信号，编辑第二可编辑波形信号板(72)的输出脉冲波形，使得第二可编辑波形信号板(72)向声光调制器(31)输出预设波形电信号；2.11，声光调制器(31)从第二可编辑波形信号板27接收预设波形电信号，将光纤预放大器(2)输出的光脉冲波形调制为预设时域波形光脉冲，并将预设时域波形光脉冲发送给电光强度调制器(32)；2.12，电光强度调制器(32)根据从高频信号源(4)接收的高频正弦信号将从声光调制器(31)接收的预设时域波形光脉冲调制为预设包络波形脉冲簇激光，预设包络波形脉冲簇激光为脉冲簇形式、且脉冲簇包络为预设波形，使得预设包络波形脉冲簇激光内高频脉冲的重频和波形与从高频信号源(4)接收的高频正弦信号相同，并将调制后的脉冲簇激光发送给光纤放大器(6)；2.13，光纤放大器(6)对从电光强度调制器(32)接收的预设包络波形脉冲簇激光进行放大，向宽带隙半导体器件(400)输出高能脉冲簇激光，此脉冲簇激光重频、脉宽、包络波形、GHz高频、脉冲重频均可调谐；第三步，电压源(200)产生脉冲电压，高能脉冲簇激光和脉冲电压同时作用于宽带隙半导体器件(400)；高能脉冲簇激光利用光波导或者光纤，从中空金属电极(91)中照射到宽带隙半导体器件(400)上，改变宽带隙半导体器件(400)的电阻，宽带隙半导体器件(400)的电阻随高能脉冲簇激光的光强成线性变化，光强变大，电阻减小；同时，宽带隙半导体器件(400)将脉冲电压调制成与高能脉冲簇激光调制频率相同的高频电信号，并将调制后的高频电信号发送给辐射输出组件(300)；第四步，辐射输出组件(300)辐射高频电信号：辐射输出组件(300)从宽带隙半导体器件(400)接收高频电信号，对高频电信号进行辐射，产生微波信号输出。