一體化高功率摻銩光纖激光器的關(guān)鍵技術(shù)研究

按照任務(wù)書要求，本項(xiàng)目針對(duì)一體化高功率摻銩光纖激光器的關(guān)鍵技術(shù)開展深入的理論和實(shí)驗(yàn)研究工作。在理論研究方面，開展了石英基光纖摻雜物理機(jī)制研究，建立了摻雜非晶態(tài)二氧化硅的模型，為光敏、高摻雜及數(shù)值孔徑間的平衡問(wèn)題的解決奠定了基礎(chǔ)；建立了適用于二氧化硅單組分疏松層的熱力學(xué)模型，為高質(zhì)量光纖預(yù)制棒的制作提供了保證；建立了摻銩光纖激光器速率方程模型和高功率雙包層光纖激光器中熱效應(yīng)抑制模型，提出一套通過(guò)合理安排抽運(yùn)方式實(shí)現(xiàn)光纖均勻溫度分布和較低的最高工作溫度并確保斜率效率最大的優(yōu)化算法。在實(shí)驗(yàn)研究方面，研制出模場(chǎng)面積高達(dá)3000平方微米的六孔型大模場(chǎng)面積光纖；提出并研制出了一種抗彎曲的大模場(chǎng)面積光子晶體光纖，在彎曲半徑30cm時(shí)模場(chǎng)面積仍可達(dá)為2242平方微米，彎曲敏感角為60度，是目前報(bào)道的最好水平；針對(duì)光子晶體光纖制作工藝缺陷問(wèn)題，首次提出了一種基于數(shù)字圖像處理技術(shù)和有限元方法相結(jié)合的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)模型，對(duì)光子晶體光纖工藝參數(shù)實(shí)現(xiàn)了在線優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了實(shí)際光子晶體光纖特性的快速間接測(cè)量；在所研制的六角形雙包層摻銩光纖上研制出反射率高達(dá)98%一體化光纖光柵，進(jìn)而研制出一體化摻銩光纖激光器，輸出功率2.1W，線寬為47pm, M2因子1.1；基于所研制側(cè)漏光子晶體光纖，研制出一種室溫可開關(guān)可調(diào)諧多波長(zhǎng)環(huán)形光纖激光器，可穩(wěn)定工作在單波長(zhǎng)、雙波長(zhǎng)及三波長(zhǎng)激光輸出。 取得的標(biāo)志性的成果有：（1）基于材料微觀特性研究，建立了光纖原材料非晶態(tài)二氧化硅的理論分析模型；（2）基于所研制的六角形雙包層石英基摻銩光纖，研制出一體化摻銩光纖激光器；（3）提出了可用于2微米波段且能調(diào)和大模場(chǎng)面積和單模矛盾的新型抗彎曲大模場(chǎng)面積光子晶體光纖；（4）信號(hào)處理技術(shù)和有限元法相結(jié)合，首次實(shí)現(xiàn)了一種光子晶體光纖特性的制作過(guò)程監(jiān)測(cè)，并成功研制出多種新結(jié)構(gòu)光子晶體光纖；（5）基于所研制側(cè)漏光子晶體光纖，研制出一種室溫可開關(guān)可調(diào)諧多波長(zhǎng)環(huán)形光纖激光器。 受本項(xiàng)目資助，發(fā)表標(biāo)注資助論文33篇，其中本領(lǐng)域頂級(jí)學(xué)術(shù)會(huì)議論文2篇，SCI檢索論文20篇，EI 24篇，ISTP 2篇；申請(qǐng)國(guó)家發(fā)明專利7項(xiàng)，獲授權(quán)6項(xiàng)；獲國(guó)家計(jì)算機(jī)軟件著作權(quán)4項(xiàng)。課題組負(fù)責(zé)人應(yīng)邀在大型國(guó)際會(huì)議上做特邀報(bào)告3次，在全國(guó)大型學(xué)術(shù)會(huì)議上做特邀報(bào)告1次；培養(yǎng)畢業(yè)博士研究生6人，碩士研究生7人；聯(lián)合承辦國(guó)際學(xué)術(shù)研討會(huì)3次和全國(guó)學(xué)術(shù)研討會(huì)1次。 2100433B

摻銩光纖激光器發(fā)射譜覆蓋1.5到2.2微米波長(zhǎng)段，涵蓋兩個(gè)大氣窗口和一個(gè)水強(qiáng)吸收帶，位于眼安全區(qū)，在軍事、醫(yī)療、無(wú)線光通信、工業(yè)等領(lǐng)域應(yīng)用前景廣泛，尤其2.0微米段的激光輸出可解中紅外軍用激光泵浦源的燃眉之急。其輸出功率和發(fā)展速率已超越鉺鐿共摻光纖激光器，正從百瓦級(jí)向千瓦級(jí)邁進(jìn)。本課題根據(jù)一體化高功率摻銩光纖激光器的發(fā)展需求，從石英基摻雜機(jī)理著手，改進(jìn)MCVD在線摻雜工藝和預(yù)制棒處理技術(shù)，將石英基摻銩光纖的低損耗區(qū)向2微米段延伸；研究不同摻雜元素對(duì)光纖特性的影響，通過(guò)共摻元素的新方案，解決摻銩光纖中增益、光敏和纖芯數(shù)值孔徑等多因素的綜合平衡問(wèn)題；針對(duì)大模場(chǎng)面積與單模的矛盾，設(shè)計(jì)新型光子晶體大模場(chǎng)面積單模雙包層摻銩光纖；研究一體化光纖光柵的波長(zhǎng)控制技術(shù)、封裝技術(shù)，實(shí)現(xiàn)高穩(wěn)定一體化光纖光柵諧振腔；同時(shí)在理論和實(shí)驗(yàn)兩方面開展多路耦合器及熱控問(wèn)題的研究，推動(dòng)千瓦級(jí)高功率摻銩光纖激光器的研究步伐。

基于60GHz毫米波的光纖無(wú)線電（ROF）系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)何時(shí)何地均能傳送高速數(shù)據(jù)和視頻信息的最佳候選方案。然而由于60GHz毫米波衰減很大，覆蓋范圍小，因此將需要大量的基站。然而基于傳統(tǒng)方法的60GHz毫米波基站價(jià)格昂貴，而且線性度差，嚴(yán)重限制了ROF技術(shù)的推廣應(yīng)用。本課題旨在通過(guò)對(duì)超高速、大飽和輸出功率電平的光電探測(cè)方法及關(guān)鍵技術(shù)的研究，將光纖放大器和高飽和輸出功率電平的光電探測(cè)二極管相結(jié)合，同時(shí)采用并聯(lián)式多光電二極管架構(gòu)進(jìn)一步提高其射頻輸出功率，以獲得高功率的60GHz毫米波信號(hào)，直接驅(qū)動(dòng)發(fā)射天線，實(shí)現(xiàn)功耗低、信道寬、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的基站，本項(xiàng)目的研究成果將為實(shí)現(xiàn)免維護(hù)大容量全光毫米波微微蜂窩基站系統(tǒng)奠定良好的理論和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

光載無(wú)線（ROF）技術(shù)是應(yīng)高速大容量無(wú)線通信需求，新興發(fā)展起來(lái)的將光纖通信和無(wú)線通信相結(jié)合的無(wú)線接入技術(shù)。ROF技術(shù)產(chǎn)生了對(duì)超高速、大飽和輸出功率的光電探測(cè)器的需求。本項(xiàng)目面向ROF技術(shù)，以單個(gè)UTC-PD為基本單元，利用功率合成技術(shù)，提出了一種將多個(gè)UTC-PD輸出進(jìn)行合成的功率合成電路，研究結(jié)果表明，我們提出的合成方法，不僅能提高輸出功率，同時(shí)能提高工作帶寬。研究成果為超高速、大飽和輸出功率的光電探測(cè)器的研制提供了重要的理論依據(jù)。本項(xiàng)目同時(shí)研究了馬赫-曾德?tīng)栒{(diào)制器的有限消光比對(duì)產(chǎn)生的毫米波的影響。 建立了基于單極型馬赫-曾德?tīng)栒{(diào)制器采用雙邊帶調(diào)制光載波抑制的光生毫米波的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。研究了利用低成本的電吸收調(diào)制器在單模光纖系統(tǒng)傳輸多波段正交頻分復(fù)用（MB-OFDM）超寬帶（UWB）信號(hào)的性能,以及各種參數(shù)如光纖長(zhǎng)度、EML的偏壓和偏置電流、溫度等對(duì)在光纖上傳輸MB-OFDM調(diào)制的UWB信號(hào)的影響；實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：用電吸收調(diào)制器，能夠有效地實(shí)現(xiàn)超寬帶信號(hào)在光纖上的傳輸。

隨著開關(guān)功率變換器高頻化和高功率密度的發(fā)展，磁性元件成為功率變換器進(jìn)一步發(fā)展的瓶頸，其中磁芯損耗的測(cè)量和建模成為關(guān)鍵技術(shù)難題，也是磁性元件深入研究和優(yōu)化應(yīng)用的基礎(chǔ)。 項(xiàng)目首先深入分析并揭示了高頻磁芯損耗傳統(tǒng)交流功率測(cè)量方法誤差大一致性差的根本原因；提出了新測(cè)量方法—直流功率測(cè)量法，基本思想是通過(guò)一個(gè)DC/AC逆變裝置將直流逆變?yōu)榻涣髯鳛楸粶y(cè)磁元件勵(lì)磁源，而由直流側(cè)輸入功率獲得被測(cè)磁元件損耗，從而克服了交流功率測(cè)量方法誤差大的根本問(wèn)題；進(jìn)一步建立了逆變裝置本身的多參數(shù)損耗精確模型，提出采用定標(biāo)的方法有效扣除逆變裝置的雜散損耗；設(shè)計(jì)研制了DSP控制的磁元件損耗測(cè)量的完整系統(tǒng)；為了獲得準(zhǔn)確的磁元件損耗，提出了比對(duì)量熱計(jì)新方法，并建立了測(cè)試裝置系統(tǒng)；通過(guò)與量熱計(jì)法的對(duì)比，驗(yàn)證了提出的直流功率測(cè)量方法的有效性，進(jìn)一步提出功率差值測(cè)量新方法以及施加高、低頻復(fù)合勵(lì)磁波形的新方案，可以測(cè)量有氣隙磁元件的損耗；同時(shí)還提出了扣除被測(cè)磁元件繞組損耗從而獲得磁芯損耗的有效新方法。驗(yàn)證表明，研發(fā)的測(cè)量裝置在被測(cè)磁元件阻抗角89度下誤差能控制在5%以內(nèi)。以上各項(xiàng)成果解決了高頻磁芯損耗，尤其是高、低頻復(fù)合勵(lì)磁下測(cè)量磁芯損耗的難題，測(cè)試方法和裝置有望成為國(guó)際和國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)。 項(xiàng)目在損耗測(cè)量研究和成果的基礎(chǔ)上，通過(guò)大量的各種工況勵(lì)磁下的測(cè)試，分析了包括磁密大小、頻率、各種不同占空比PWM波形、直流偏磁以及高低頻復(fù)合勵(lì)磁等實(shí)際工況下各個(gè)因素對(duì)磁芯損耗的綜合影響，結(jié)合磁芯損耗機(jī)理研究和分析，提出了新的磁芯損耗計(jì)算模型，可以計(jì)算磁芯在功率變換器各種復(fù)雜勵(lì)磁工況下的磁芯損耗，與損耗測(cè)量結(jié)果較好吻合，為磁性元件損耗分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了理論模型，有助于功率變換器產(chǎn)品效率和功率密度的提高。 成果包括撰寫論文7篇，申請(qǐng)發(fā)明專利4項(xiàng)，直接培養(yǎng)博士生2名，碩士生4名，促進(jìn)了磁性元件損耗測(cè)量方法的國(guó)際國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)制定，得到國(guó)內(nèi)外知名企業(yè)的重視和技術(shù)開發(fā)應(yīng)用。