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与流程

本发明涉及一种高功率微波产生方法——基于高重频脉冲激光和宽带隙光导半导体的窄谱微波产生方法。

背景技术：

高功率微波通过强电磁辐射，干扰、扰乱、损伤装备的电子信息系统，使其功能降级或失效，能有效地提高信息对抗能力、具有光速攻击、软杀伤、面杀伤、附带损伤小等特点。

为了应对信息化领域的威胁目标电磁环境的日益复杂以及新波形、新频谱的不断涌现的情况，亟需发展参数灵活可调的新型自适应定向能微波产生方法。传统高功率微波产生方法是基于脉冲功率装置和相对论电真空器件的，已经发展了40-50年，输出微波参数通常固定，频点单一或难以调节。这是因为相对论真空器件通常工作频率范围窄，且为机械结构，调节困难。而且，电真空器件需要在真空环境下运行，导致利用该方法设计的微波产生器件体积庞大。

利用光导半导体产生微波是近年来研究较多的一个新方向，目前国内外公开报道都是将光导半导体作为快速切断开关，即利用光导半导体开关的快速导通的性质来产生一个陡前沿的脉冲电压，然后辐射产生宽带或超宽带信号，这些报道中光导半导体的作用类似开关振荡器。比如，文献“Photoconductive Switch-Based HPM for Airborne Counter-IED Applications(基于光导开关的用于机载反简易爆炸装置的高功率微波发生器)，IEEE Transactions on Plasma Science(IEEE等离子体科学学报)，2014，42期，5卷，第1285—1294页”中描述的就是一种利用光导开关导通特性制作宽带微波信号发生器的方法，该方法利用光导开关的快速导通特性切断直流偏压，产生一个陡上升沿电信号，再通过宽带天线辐射产生宽谱信号；由于宽谱的能量在频率上分散，且低频成分受制与天线尺寸，定向辐射相对困难，故此产生的微波功率“等效辐射功率”低，因而产生的微波功率较低，该方案输出的微波信号在百瓦量级。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是，针对现有的利用电真空器件产生微波的方法所使用的微波产生器件体积大，频点单一和频率难调的问题，提出一种基于高重频脉冲激光的光导自适应窄谱微波产生方法。利用宽带隙光导半导体器件在高电压和大电流水平下的线性工作模式(在线性工作模式下，一个光子入射进器件，就在器件内产生一对空穴电子对，电子在外加电压产生的电场的作用下移动，进而形成电流；这种模式产生的电流和入射激光有一致的波形和频率，在外加偏置电压下，通过高重频激光辐照宽带隙光导半导体器件，产生高频电信号，并辐射输出产生微波信号。

本发明具体技术方案包括以下步骤：

第一步，构建光导自适应窄谱微波产生器，该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一种可以作为微波系统光导器件信号源的高能脉冲簇激光器，简称高能脉冲簇激光器，电路调制模块由电压源、宽带隙半导体器件和辐射输出组件三部分组成。高能脉冲簇激光器与宽带隙半导体器件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中。

高能脉冲簇激光器由激光种子源、光纤预放大器、光学调制模块、高频信号源、同步控制电路、光纤放大器和2块可编辑波形信号板(即第一可编辑波形信号板和第二可编辑波形信号板)组成。光学调制模块由声光调制器和电光强度调制器组成，声光调制器和电光强度调制器以光纤熔接器件尾纤的方式连接。激光种子源的输出端与光纤预放大器的输入端、光纤预放大器的输出端与光学调制模块的光纤输入端(即声光调制器的光纤输入端)、光学调制模块的输出端(即电光强度调制器的光纤输出端)与光纤放大器的输入端均通过光纤熔接的方式连接，光纤放大器的输出端熔接有端帽或者隔离器。且激光种子源的信号输入端与第一可编辑波形信号板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的外部触发信号输入端与同步控制电路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的外部触发信号输入端与同步控制电路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的信号输出端与声光调制器的信号输入端通过同轴信号线相连。电光强度调制器的射频信号输入端与高频信号源的信号输出端以同轴信号线连接。

所述同步控制电路为第一可编辑波形信号板和第二可编辑波形信号板提供同步时序信号。同步控制电路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，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。要求2路同步时序信号为脉宽可调，重频可调，幅值为2.5V～5V的标准数字触发信号，且第一同步时序信号和第二同步时序信号脉冲间时间抖动小于5ns。

所述第一可编辑波形信号板为外触发工作模式，当从同步控制电路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，向激光种子源发送重频和脉宽都可调的矩形信号。

所述激光种子源采用半导体脉冲激光种子源，这种半导体脉冲激光种子源可以根据可编辑波形信号板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。要求半导体脉冲激光种子源的中心波长范围为1030nm～1065nm，脉宽范围为10ns～200ns，重频范围为10Hz～200kHz。

所述光纤预放大器对从激光种子源产生的激光种子脉冲进行功率提高，并提升高能脉冲簇激光器的信噪比。光纤预放大器由M(M≥1)级光纤放大器组成。要求光纤预放大器输出激光脉冲的平均功率和峰值功率小于等于电光强度调制器的最大承受功率。

所述第二可编辑波形信号板为外触发工作模式，当从同步控制电路接收到第二同步时序信号时向声光调制器发送预设波形电信号。

光纤预放大器和光纤放大器的增益饱和效应会导致放大后的激光脉冲波形与它们接收的输入激光脉冲波形不同，即放大后的激光脉冲波形会发生畸变。为了能作为微波系统光导器件信号源，本发明需输出矩形包络脉冲簇激光(即本发明光纤放大器须输出矩形包络脉冲簇激光)，因此需要对光纤放大器的输入信号的波形进行预设，这通过可编辑波形信号板向声光调制器发送预设波形电信号实现。

所述声光调制器是光纤耦合声光调制器，带宽大于100MHz。声光调制器一方面从第二可编辑波形信号板接收预设波形电信号，将光纤预放大器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；另一方面声光调制器关断光纤预放大器输出的光脉冲间连续的自发辐射噪声。

所述高频信号源用于为电光强度调制器提供频率灵活可调的GHz量级高频正弦信号。高频信号源可以为压控频变振荡器、频率综合器、任意波形发生器、函数发生器中任意一种，也可以为压控频变振荡器、频率综合器、任意波形发生器、函数发生器中任意一种与功率放大器的组合。要求高频信号源输出的电压大于电光强度调制器的半波电压。

电光强度调制器的工作带宽大于等于10GHz。电光强度调制器根据高频信号源输出的高频正弦信号，将从声光调制器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。

所述光纤放大器对从电光强度调制器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。光纤放大器由N(N≥2)级光纤放大器组成。光纤放大器的输出端熔接有光纤端帽或者隔离器，防止端面回光对高能脉冲簇激光器的损坏。

电压源是固态脉冲形成线，和宽带隙半导体器件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上。

宽带隙半导体器件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。

宽带隙半导体器件由半导体晶片(即基底)、2个电极、填充材料和支撑结构四个部分组成，半导体晶片8和2个电极连接的组合，与申请号为201710616299.7的专利“对面正入光型高功率光导开关器件及其制作方法”中描述的“对面正入光型高功率光导开关器件”结构相同：使用高电阻半导体作为衬底材料，在高电阻半导体(的正面)上制备透明导电层,在透明导电层上制备具有增透效果的耐高压钝化层，耐高压钝化层的四周有一个金属环紧贴透明导电层，然后与中空金属电极连接(即金属环的上面紧贴中空金属电极)；高电阻半导体背面先制备具有高反性能的镀银层，然后与实心金属电极连接。其中的中空金属电极和实心金属电极即为本发明中的两个电极，其余部分(即衬底材料、透明导电层、耐高压钝化层、金属环、镀银层)为本发明所用的半导体晶片。半导体晶片可以是方形薄片或圆形薄片，厚度为0.01mm～10mm，为方形薄片时边长为1mm～50mm，为圆形薄片时直径为1mm～50mm的。半导体晶片衬底材料即高电阻半导体选择宽带隙SiC材料，如4H-SiC或6H-SiC材料，耐压要求为3～4MV/cm，SiC晶体载流子的复合时间小于1ns。中空金属电极和实心金属电极材料可以是不锈钢或黄铜；中空金属电极和实心金属电极的直径与半导体晶片的边长或直径的比保持在1～1.5之间；中空金属电极和实心金属电极与半导体晶片的连接采用导电银胶相粘接，通过烘烤后使银胶固化。支撑结构是用聚四氟乙烯材料加工成的矩形无盖盒子，中空金属电极穿过支撑结构的第一侧面，一端与半导体晶片的第一面粘接，另一端与电压源相连；实心金属电极的一端与半导体晶片的第二面(与第一面相对的一个面)粘接，另一端穿过支撑结构的第二侧面，与电压源相连；半导体晶片8、中空金属电极、实心金属电极和支撑结构之间有填充材料，填充材料要求完全覆盖半导体晶片、中空金属电极、实心金属电极，填充材料100要求平均耐受场强≥40kV/mm，当光波长200nm～1200nm时，光的透过率大于99％，填充材料优选环氧树脂。

电压源是固态脉冲形成线。固态脉冲形成线的耐压范围应与宽带隙半导体器件的耐压范围相同，固态脉冲形成线阻抗与宽带隙半导体器件在激光辐照下的导通态最小电阻相同。固态脉冲形成线为三平板结构，按照金属板-介质-金属板-介质-金属板的结构叠放在一起。介质是具有高储能密度(>1J/cm³)的介电材料，金属板材料选用银。电压源和宽带隙半导体器件的连接方式为：宽带隙半导体器件两电极、可以分别连接电压源的中间金属板和上层金属板，两电极也可以连接电压源中间金属板和下层金属板。

辐射输出组件是与电压源阻抗相匹配的平板宽带辐射喇叭，通过SMA(SubMiniature version A)同轴线与宽带隙半导体器件相连，将宽带隙半导体器件输出的高频电信号进行辐射，产生微波信号输出。

第二步，高能脉冲簇激光器产生高能脉冲簇激光，并向宽带隙半导体器件输出高能脉冲簇激光，这种高能脉冲簇激光重频、脉宽、包络波形、GHz高频脉冲重频均可调谐，方法是：

2.1，同步控制电路输出2路重频可调的数字信号；

2.2，第一可编辑波形信号板被同步控制电路输出的第一路同步信号触发，根据微波系统光导器件对信号源脉宽的参数要求编辑第一可编辑波形信号板的电脉冲宽度，向激光种子源发送脉宽可调的矩形信号；

2.3，激光种子源接收第一可编辑波形信号板输出的脉宽可调的矩形信号，产生脉宽可调的矩形光脉冲，这种光脉冲重频、脉宽均可调；

2.4，光纤预放大器将激光种子源输出的矩形光脉冲能量放大至不超过电光强度调制器的最大可承受功率，以提升信噪比，输出的激光脉冲波形特征为波形由于增益饱和效应发生了畸变；

2.5，第二可编辑波形信号板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相同脉宽的矩形电信号。

2.6，声光调制器从第二可编辑波形信号板接收与第一可编辑波形信号板相同脉宽的矩形电信号，即不改变光纤预放大器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；

2.7，高频信号源输出GHz量级频率灵活可调的高频正弦信号；

2.8，电光强度调制器根据从高频信号源接收的高频正弦信号将从声光调制器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；

2.9，测试光纤放大器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，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Pin(t和含时输出脉冲簇瞬时功率Pout(t)，导入Matlab程序(内含随机并行梯度下降算法)中提取出包络波形，作为初始输入输出波形，由此计算得到与时间相关的增益曲线，由公式(1)曲线拟合得到初始增益G0和放大器的饱和能流Esat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；所述预设波形电信号采用以下方法得到：

2.9.1，将第二可编辑波形信号板的输出信号设置为矩形，即第二可编辑波形信号板输出信号使得声光调制器不改变光纤预放大器输出的激光脉冲波形。在此条件下用高速示波器、光电探测器和功率计测试光纤放大器的输入脉冲簇包络波形、输出脉冲簇包络波形和脉冲簇能量Eout(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Pin(t)和含时输出脉冲簇瞬时功率Pout(t)，t是时间。

2.9.2，将得到的含时输入脉冲簇瞬时功率Pin(t)和含时输出脉冲簇瞬时功率Pout(t)导入Matlab程序，提取包络波形，，作为随机并行梯度下降算法计算预补偿波形时的初始输入和输出波形。

2.9.3，通过公式G(t)＝Pout(t)/Pin(t)计算得到与时间相关的增益函数G(t)，根据放大器F-N模型中增益公式(1)，

G(t)＝1+(G0-1)exp[-Eout(t)/Esat] (1)

曲线拟合得到初始增益G0和放大器的饱和能流Esat参数；

2.9.4，将矩形包络波形设为Matlab程序的目标输出包络波形，归一化目标输出矩形包络波形；

2.9.5，运行MATLAB程序得到预设波形。

2.10，根据预设波形电信号，编辑第二可编辑波形信号板的输出脉冲波形，使得第二可编辑波形信号板向声光调制器输出预设波形电信号。

2.11，声光调制器从第二可编辑波形信号板接收预设波形电信号，将光纤预放大器输出的光脉冲波形调制为预设时域波形光脉冲，其特征为波形为经过以上步骤计算得到的预设波形，可使得光纤放大器输出的脉冲簇包络波形为矩形，并将预设时域波形光脉冲发送给电光强度调制器。

2.12，电光强度调制器根据从高频信号源接收的高频正弦信号将从声光调制器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，其特征为脉冲簇形式、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；

2.13，光纤放大器对从电光强度调制器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(脉冲形成线)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。即只有在高能脉冲簇激光开始辐照半导体时电压源才施加电压、当光结束辐照时，电压加载也相应结束。

高能脉冲簇激光利用光波导或者光纤，从中空金属电极中照射到宽带隙半导体器件上，改变宽带隙半导体器件的电阻(此处宽带隙光导半导体器件实质上相当于一个可变电阻，其内阻根据激光光强的变化而变化)，宽带隙半导体器件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(宽带隙半导体器件工作在线性模式，即一个光子入射进器件产生一对空穴电子对，电子在外加电压产生的电场的作用下移动，进而产生电流；这种模式产生的电流和入射激光有一致的波形和频率；该工作模式根据欧姆定律“I＝U/R”，调制过程中脉冲电压U不变，电阻R随光强呈反比例变化，因此宽带隙半导体器件输出的电流I和光强呈正比例变化，故此周期性变化的光强(即高能脉冲簇激光)产生了周期性变化的电流，二者频率相同)，并将调制后的高频电信号发送给辐射输出组件。

第四步，辐射输出组件辐射高频电信号：辐射输出组件从宽带隙半导体器件接收高频电信号，对高频电信号进行辐射，产生微波信号输出。

本发明第一步构建的光导自适应窄谱微波产生器具有模块化、固态化和智能化的特点。

相比基于脉冲功率和相对论真空电子管的传统高功率微波产生方法，本发明具有如下技术特点：

1、输出微波频率灵活——参数任意灵活可调,具有“智能化”的天然优势。本发明宽带隙半导体器件线性模式下，一个光子入射进SiC晶体中就产生一个电子(载流子)，因此SiC晶体中的电流完全由高能脉冲簇激光器控制，由于SiC晶体中的载流子具有低于1ns的复合时间，该半导体器件可以响应GHz的输入光信号，输出GHz的电信号。宽带隙半导体器件输出的电信号和输入该器件的高能脉冲簇激光的调制频率一致，输出频率主要取决于高能脉冲簇激光的调制频率，不像传统高功率微波一套装置只对应一个频点。本发明通过改变高能脉冲簇激光的调制频率(见2.7步，高频信号源输出GHz量级频率灵活可调的高频正弦信号；调整高频信号源输出频率，就能改变高能脉冲簇激光的调制频率)，可以实现微波频率10倍频的调制，即从0.1GHz到1GHz可调，SiC晶体载流子的复合时间限制了频率调制的上限。

2、采用本发明产生的微波具有高重复频率能力——本发明的重复频率取决于高能脉冲簇激光器的重复频率，只受到搭载本发明的装备(如装甲车、舰艇、战斗机)的供给功率的限制。现有的电真空方案重复频率只有几十到100Hz，本发明于高能脉冲簇激光器重频范围为10Hz～200kHz，因此本发明可以实现更高的重频频率。

3、本发明第一步构建的光导自适应窄谱微波产生器具有高可靠性——所有单元均为固态，该系统不像传统高功率微波系统需气体火花开关和真空电子束及其附属设备，因而空间利用效率高，结构紧凑体积小，可靠性更高，平台适应性更强。

4、更强的机动能力——本发明第一步制作的光导自适应窄谱微波产生器有重量更轻、体积更小的优点，当被搭载到装备上去时，可以同时允许平台增加额外的储能系统来增强攻击力。

5、本发明中的宽带隙半导体器件工作在线性模式，即一个光子入射进器件产生一对空穴电子对，电子在外加电压产生的电场的作用下移动，进而产生电流；这种模式产生的电流和入射激光有一致的波形和频率。因此本发明通过高频光调控，可以将光导半导体视作一个“光导放大器”，产生的是窄谱微波信号(当微波信号脉宽是100ns时，谱宽10MHz量级，或相对带宽1％量级)，具有更好的定向发射性，产生微波能量更高。

6、本发明采用填充材料对宽带隙半导体器件进行了填充，避免空气沿面闪络击穿，提升半导体器件的耐压，也提升了微波产生器的功率容量。

本发明在新一代高功率微波技术、探攻一体雷达以及认知电子战领域拥有广阔应用前景。

附图说明

图1是本发明总体流程图；

图2是本发明第一步构建的光导自适应窄谱微波产生器逻辑结构图；

图3是图2中的高能脉冲簇激光器整体结构示意图。

图4是预设波形电信号产生示意图。其中，图4(a)为光纤放大器6输入脉冲簇包络波形，4(b)为光纤放大器6输出脉冲簇包络波形；图4(c)是归一化目标输出矩形包络波形；图4(d)为归一化预设波形；

图5是宽带隙半导体器件的结构图；

图6是宽带隙半导体器件、三平板型脉冲形成线及辐射组件的连接示意图。

具体实施方式

图1是本发明总体流程图；如图1所示，本发明包括以下步骤：

第一步，构建光导自适应窄谱微波产生器，如图2所示，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一种可以作为微波系统光导器件信号源的高能脉冲簇激光器，简称高能脉冲簇激光器，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中。

高能脉冲簇激光器如图3所示，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和可编辑波形信号板7组成。其中激光种子源1、光纤预放大器2、光学调制模块3和光纤放大器6由光纤熔接的方式连接。高频信号源4、同步控制电路5、第一可编辑波形信号板71与激光种子源1、第二可编辑波形信号板72与声光调制器31之间以同轴电缆线连接。

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，光纤放大器6的输出端熔接有端帽或者隔离器。且激光种子源6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71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。

所述同步控制电路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。同步控制电路5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。要求2路同步时序信号为脉宽可调，重频可调，幅值为2.5V～5V的标准数字触发信号，且第一同步时序信号和第二同步时序信号脉冲间时间抖动小于5ns。

所述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。

所述激光种子源1采用半导体脉冲激光种子源，这种半导体脉冲激光种子源可以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。要求半导体脉冲激光种子源1的中心波长范围为1030nm～1065nm，脉宽范围为10ns～200ns，重频范围为10Hz～200kHz。

所述光纤预放大器2对从激光种子源产生的激光种子脉冲进行功率提高，并提升高能脉冲簇激光器的信噪比。光纤预放大器2由M(M≥1)级光纤放大器组成。要求光纤预放大器2输出激光脉冲的平均功率和峰值功率小于等于电光强度调制器的最大承受功率。

所述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发送预设波形电信号。

所述声光调制器31是光纤耦合声光调制器，带宽大于100MHz。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。

所述高频信号源4用于为电光强度调制器32提供频率灵活可调的GHz量级高频正弦信号。高频信号源4可以为压控频变振荡器、频率综合器、任意波形发生器、函数发生器中任意一种，也可以为压控频变振荡器、频率综合器、任意波形发生器、函数发生器中任意一种与功率放大器的组合。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的工作带宽大于等于10GHz。电光强度调制器32根据高频信号源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1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。

所述光纤放大器6对从电光强度调制器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(N≥2)级光纤放大器组成。光纤放大器6的输出端熔接有光纤端帽或者隔离器，防止端面回光对高能脉冲簇激光器的损坏。

如图2所示，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。

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300。

如图5所示，宽带隙半导体器件400由半导体晶片8(即基底)、2个电极、填充材料100和支撑结构101四个部分组成，半导体晶片8和2个电极连接的组合使用高电阻半导体作为衬底材料，在高电阻半导体(的正面)上制备透明导电层,在透明导电层上制备具有增透效果的耐高压钝化层，之后制备金属环连接透明导电层(即耐高压钝化层的四周有一个金属环紧贴透明导电层)，然后与中空金属电极91连接(即金属环的上面紧贴中空金属电极91)；衬底背面先制备具有高反性能的镀银层，然后与实心金属电极92连接。其中的中空金属电极91和实心金属电极92即为本发明中的两个电极，其余部分(即衬底材料、透明导电层、耐高压钝化层、金属环、镀银层)为本发明所用的半导体晶片8。半导体晶片8可以是方形薄片或圆形薄片，厚度为0.01mm～10mm，为方形薄片时边长为1mm～50mm，为圆形薄片时直径为1mm～50mm的。半导体晶片8衬底材料选择宽带隙SiC材料，如4H-SiC或6H-SiC，耐压要求为3～4MV/cm，SiC晶体载流子的复合时间小于1ns。中空金属电极91和实心金属电极92材料可以是不锈钢或黄铜；中空金属电极91和实心金属电极92的直径与半导体晶片的边长或直径的比保持在1～1.5之间；中空金属电极91和实心金属电极92与半导体晶片的连接采用导电银胶相粘接，通过烘烤后使银胶固化。支撑结构101是用聚四氟乙烯材料加工成的矩形无盖盒子，中空金属电极91穿过支撑结构101的第一侧面1011，一端与半导体晶片8的第一面81粘接，另一端与电压源相连；实心金属电极92的一端与半导体晶片8的第二面82(与第一面81相对的一个面)粘接，另一端穿过支撑结构101的第二侧面1012，与电压源相连；半导体晶片8、中空金属电极91、实心金属电极92和支撑结构101之间有填充材料100，填充材料100要求完全覆盖半导体晶片8、中空金属电极91、实心金属电极92，填充材料100要求平均耐受场强≥40kV/mm，当光波长200nm～1200nm时，光的透过率大于99％，填充材料优选环氧树脂。

如图6所示，电压源200是固态脉冲形成线。固态脉冲形成线的耐压范围与宽带隙半导体器件400的耐压范围相同，固态脉冲形成线阻抗与宽带隙半导体器件400在激光辐照下的导通态最小电阻相同。固态脉冲形成线为三平板结构，按照金属板-介质-金属板-介质-金属板的结构叠放在一起。介质是具有高储能密度(>1J/cm³)的介电材料，金属板材料选用银。电压源200和宽带隙半导体器件400的连接方式为：宽带隙半导体器件400中空金属电极91、实心金属电极92分别连接电压源200的中间金属板202和上层金属板201，或两电极连接电压源200中间金属板202和下层金属板203。(图6所示是两电极连接电压源200中间金属板202和下层金属板203)

辐射输出组件是与电压源200阻抗相匹配的平板宽带辐射喇叭300，通过SMA(SubMiniature version A)同轴线与宽带隙半导体器件400相连，将宽带隙半导体器件400输出的高频电信号进行辐射，产生微波信号输出。

第二步，高能脉冲簇激光器产生高能脉冲簇激光，并向宽带隙半导体器件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，这种光脉冲重频、脉宽均可调；

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，输出的激光脉冲波形特征为波形由于增益饱和效应发生了畸变；

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，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Pin(t和含时输出脉冲簇瞬时功率Pout(t)，导入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，由公式(1)曲线拟合得到初始增益G0和放大器的饱和能流Esat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(内含随机并行梯度下降算法)得到预设波形电信号；

如图4所示，所述预设波形电信号采用以下方法得到：

2.9.1，将第二可编辑波形信号板72的输出信号设置为矩形，即第二可编辑波形信号板72输出信号使得声光调制器31不改变光纤预放大器2输出的激光脉冲波形。在此条件下用高速示波器、光电探测器和功率计测试光纤放大器6的输入脉冲簇包络波形、输出脉冲簇包络波形和脉冲簇能量，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Pin(t)和含时输出脉冲簇瞬时功率Pout(t)。

2.9.2，将得到的含时输入脉冲簇瞬时功率Pin(t)和含时输出脉冲簇瞬时功率Pout(t)导入Matlab程序(内含随机并行梯度下降优化算法)，提取包络波形，，作为随机并行梯度下降算法计算预补偿波形时的初始输入和输出波形，如图4(a)光纤放大器6输入脉冲簇包络波形，纵坐标为瞬时功率，单位为瓦，横坐标为时间，单位为纳秒，图4(b)为光纤放大器6输出脉冲簇包络波形，纵坐标为瞬时功率，因为功率被光纤放大器6放大了，单位为千瓦，横坐标为时间，单位为纳秒。

2.9.3，通过公式G(t)＝Pout(t)/Pin(t)计算得到与时间相关的增益函数G(t)，根据放大器F-N模型中增益公式(1)，

G(t)＝1+(G0-1)exp[-Eout(t)/Esat] (1)

曲线拟合得到初始增益G0和放大器的饱和能流Esat参数；

2.9.4，将矩形包络波形设为Matlab程序的目标输出包络波形，归一化目标输出矩形包络波形如图4(c)所示，图4(c)中，纵坐标为归一化值，横坐标为时间，单位为纳秒；

2.9.5，运行MATLAB程序得到预设波形，归一化预设波形如图4(d)所示，图4(d)中，纵坐标为归一化值，横坐标为时间，单位为纳秒。

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，其特征为波形为经过以上步骤计算得到的预设波形，可使得光纤放大器6输出的脉冲簇包络波形为矩形，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，其特征为脉冲簇形式、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(即脉冲形成线)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。即只有在高能脉冲簇激光开始辐照半导体时电压源才施加电压，当光结束辐照时，电压加载也相应结束。

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。

第四步，辐射输出组件辐射高频电信号：辐射输出组件从宽带隙半导体接收高频电信号，对高频电信号进行辐射，产生微波信号输出。