一體化高功率摻銩光纖激光器的關鍵技術研究結題摘要

按照任務書要求，本項目針對一體化高功率摻銩光纖激光器的關鍵技術開展深入的理論和實驗研究工作。在理論研究方面，開展了石英基光纖摻雜物理機制研究，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)值孔徑間的平衡問題的解決奠定了基礎；建立了適用于二氧化硅單組分疏松層的熱力學模型，為高質量光纖預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抑制模型，提出一套通過合理安排抽運方式實現(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。在實驗研究方面，研制出模場面積高達3000平方微米的六孔型大模場面積光纖；提出并研制出了一種抗彎曲的大模場面積光子晶體光纖，在彎曲半徑30cm時模場面積仍可達為2242平方微米，彎曲敏感角為60度，是目前報道的最好水平；針對光子晶體光纖制作工藝缺陷問題，首次提出了一種基于數(shù)字圖像處理技術和有限元方法相結合的實時監(jiān)測模型，對光子晶體光纖工藝參數(shù)實現(xiàn)了在線優(yōu)化，實現(xiàn)了實際光子晶體光纖特性的快速間接測量；在所研制的六角形雙包層摻銩光纖上研制出反射率高達98%一體化光纖光柵，進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；基于所研制側漏光子晶體光纖，研制出一種室溫可開關可調諧多波長環(huán)形光纖激光器，可穩(wěn)定工作在單波長、雙波長及三波長激光輸出。 取得的標志性的成果有：（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微米波段且能調和大模場面積和單模矛盾的新型抗彎曲大模場面積光子晶體光纖；（4）信號處理技術和有限元法相結合，首次實現(xiàn)了一種光子晶體光纖特性的制作過程監(jiān)測，并成功研制出多種新結構光子晶體光纖；（5）基于所研制側漏光子晶體光纖，研制出一種室溫可開關可調諧多波長環(huán)形光纖激光器。 受本項目資助，發(fā)表標注資助論文33篇，其中本領域頂級學術會議論文2篇，SCI檢索論文20篇，EI 24篇，ISTP 2篇；申請國家發(fā)明專利7項，獲授權6項；獲國家計算機軟件著作權4項。課題組負責人應邀在大型國際會議上做特邀報告3次，在全國大型學術會議上做特邀報告1次；培養(yǎng)畢業(yè)博士研究生6人，碩士研究生7人；聯(lián)合承辦國際學術研討會3次和全國學術研討會1次。 2100433B

摻銩光纖激光器發(fā)射譜覆蓋1.5到2.2微米波長段，涵蓋兩個大氣窗口和一個水強吸收帶，位于眼安全區(qū)，在軍事、醫(yī)療、無線光通信、工業(yè)等領域應用前景廣泛，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，正從百瓦級向千瓦級邁進。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，從石英基摻雜機理著手，改進MCVD在線摻雜工藝和預制棒處理技術，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光纖特性的影響，通過共摻元素的新方案，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題；針對大模場面積與單模的矛盾，設計新型光子晶體大模場面積單模雙包層摻銩光纖；研究一體化光纖光柵的波長控制技術、封裝技術，實現(xiàn)高穩(wěn)定一體化光纖光柵諧振腔；同時在理論和實驗兩方面開展多路耦合器及熱控問題的研究，推動千瓦級高功率摻銩光纖激光器的研究步伐。

基于60GHz毫米波的光纖無線電（ROF）系統(tǒng)是實現(xiàn)何時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毫米波基站價格昂貴，而且線性度差，嚴重限制了ROF技術的推廣應用。本課題旨在通過對超高速、大飽和輸出功率電平的光電探測方法及關鍵技術的研究，將光纖放大器和高飽和輸出功率電平的光電探測二極管相結合，同時采用并聯(lián)式多光電二極管架構進一步提高其射頻輸出功率，以獲得高功率的60GHz毫米波信號，直接驅動發(fā)射天線，實現(xiàn)功耗低、信道寬、結構簡單的基站，本項目的研究成果將為實現(xiàn)免維護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驗基礎。

光載無線（ROF）技術是應高速大容量無線通信需求，新興發(fā)展起來的將光纖通信和無線通信相結合的無線接入技術。ROF技術產生了對超高速、大飽和輸出功率的光電探測器的需求。本項目面向ROF技術，以單個UTC-PD為基本單元，利用功率合成技術，提出了一種將多個UTC-PD輸出進行合成的功率合成電路，研究結果表明，我們提出的合成方法，不僅能提高輸出功率，同時能提高工作帶寬。研究成果為超高速、大飽和輸出功率的光電探測器的研制提供了重要的理論依據(jù)。本項目同時研究了馬赫-曾德爾調制器的有限消光比對產生的毫米波的影響。 建立了基于單極型馬赫-曾德爾調制器采用雙邊帶調制光載波抑制的光生毫米波的實驗平臺，進行了實驗驗證。研究了利用低成本的電吸收調制器在單模光纖系統(tǒng)傳輸多波段正交頻分復用（MB-OFDM）超寬帶（UWB）信號的性能,以及各種參數(shù)如光纖長度、EML的偏壓和偏置電流、溫度等對在光纖上傳輸MB-OFDM調制的UWB信號的影響；實驗結果表明：用電吸收調制器，能夠有效地實現(xiàn)超寬帶信號在光纖上的傳輸。

隨著開關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一步發(fā)展的瓶頸，其中磁芯損耗的測量和建模成為關鍵技術難題，也是磁性元件深入研究和優(yōu)化應用的基礎。 項目首先深入分析并揭示了高頻磁芯損耗傳統(tǒng)交流功率測量方法誤差大一致性差的根本原因；提出了新測量方法—直流功率測量法，基本思想是通過一個DC/AC逆變裝置將直流逆變?yōu)榻涣髯鳛楸粶y磁元件勵磁源，而由直流側輸入功率獲得被測磁元件損耗，從而克服了交流功率測量方法誤差大的根本問題；進一步建立了逆變裝置本身的多參數(shù)損耗精確模型，提出采用定標的方法有效扣除逆變裝置的雜散損耗；設計研制了DSP控制的磁元件損耗測量的完整系統(tǒng)；為了獲得準確的磁元件損耗，提出了比對量熱計新方法，并建立了測試裝置系統(tǒng)；通過與量熱計法的對比，驗證了提出的直流功率測量方法的有效性，進一步提出功率差值測量新方法以及施加高、低頻復合勵磁波形的新方案，可以測量有氣隙磁元件的損耗；同時還提出了扣除被測磁元件繞組損耗從而獲得磁芯損耗的有效新方法。驗證表明，研發(fā)的測量裝置在被測磁元件阻抗角89度下誤差能控制在5%以內。以上各項成果解決了高頻磁芯損耗，尤其是高、低頻復合勵磁下測量磁芯損耗的難題，測試方法和裝置有望成為國際和國內標準。 項目在損耗測量研究和成果的基礎上，通過大量的各種工況勵磁下的測試，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合勵磁等實際工況下各個因素對磁芯損耗的綜合影響，結合磁芯損耗機理研究和分析，提出了新的磁芯損耗計算模型，可以計算磁芯在功率變換器各種復雜勵磁工況下的磁芯損耗，與損耗測量結果較好吻合，為磁性元件損耗分析和優(yōu)化設計提供了理論模型，有助于功率變換器產品效率和功率密度的提高。 成果包括撰寫論文7篇，申請發(fā)明專利4項，直接培養(yǎng)博士生2名，碩士生4名，促進了磁性元件損耗測量方法的國際國內標準制定，得到國內外知名企業(yè)的重視和技術開發(fā)應用。