专利名称：光纤激光触发超宽带电磁脉冲辐射形成方法及其实现系统的制作方法
技术领域：
本发明属于超宽带电磁脉冲辐射技术领域，主要用于电子对抗及目标识别。具体涉及一种光纤激光触发超宽带电磁脉冲辐射形成方法及其实现系统。
背景技术：
超宽带电磁脉冲通常是指带宽与中心频率之比大于25％的电磁波，即有[(fh-fl)/(fh+fl)/2]＞1/4式中fh和fl分别表示电磁波的上、下限频率。超宽带电磁脉冲在时域中表现为上升沿极陡、持续时间极短的脉冲，一般可达到ps(10-12s)量级；在频域上则具有达到GHz甚至THz量级的极宽频带。超宽带电磁脉冲在很多领域具有广泛应用，其独特性能将给电子对抗、反隐形、电磁武器、穿透性攻击武器引信、地下探测、通信、医学成像、工业自动化、无损检测、安全检查、运输、材料估计等诸多领域带来了深远影响。
超宽带电磁脉冲技术一般采用快速开关技术，将高压电能转换为射频电能，获得超短电脉冲，通过超宽带天线辐，获得超宽带电磁脉冲。产生电磁脉冲常用的快速开关有电子管开关和气体开关。电子管开关一般输出在纳秒量级，很难获得皮秒级脉冲。气体开关则具有绝缘性差，能量损耗大，输出稳定性也较差，实用性能不佳等缺点。
利用超短激光脉冲触发光导开关产生超宽带电磁脉冲是一种有效获得超宽带电磁脉冲的方法。为了用这种方法获得脉冲宽度为皮秒量级的超宽带电磁脉冲系统，并使输出在重复频率和输出功率方面都达到实用要求，其超短脉冲激发光源需满足如下要求(1)激光脉冲宽度要窄，在1ns以下，最好达到ps甚至fs量级；(2)重复频率要高，要达到kHz以上；(3)具有一定的输出能量，单脉冲能量要达到μJ以上；(4)波长从532nm至1100nm均可；(5)输出稳定性要好，集成度要高。
目前，满足上述要求可选用的激光器有掺钕钇铝石榴石(Nd:YAG)的激光器，钛宝石激光器，染料锁模调Q激光器等。但这些类激光器一般集成度低，较笨重，体积庞大，可移动性差，只能用于实验室，实用性差。
发明内容
本发明的目的在于提供一种超宽带电磁脉冲辐射的形成方法及光纤激光器触发超宽带电磁脉冲辐射系统，其解决了背景技术中很难获得皮秒级脉冲或绝缘性和稳定性较差，或体积庞大、可移动性差的技术问题。
本发明的技术解决方案是一种超宽带电磁脉冲辐射的形成方法，其特殊之处在于该方法包括以下步骤1)产生超短激光脉冲触发光源通过超短脉冲光纤激光器1产生皮秒级或飞秒级脉冲宽度的超短激光脉冲触发光源；2)将超短激光脉冲放大至满足触发能量要求超短激光脉冲经光纤放大器2放大后，获得满足光导开关4触发阈值的超短激光脉冲；3)触发加有偏置电压的光导开关4经放大的超短激光脉冲触发加有偏置电压的光导开关4；产生偏置电压的偏置电压装置3的偏置电源脉冲与超短脉冲光纤激光器1的触发光同步；4)光导开关4输出超短电脉冲；5)将超短电脉冲转换为超短电磁脉冲超短电脉冲送至超宽带天线5转换为超宽带电磁脉冲；6)形成超宽带电磁脉冲辐射超宽带天线5在空间辐射，形成超宽带电磁脉冲辐射。
上述光导开关4所加的偏置电压可为直流电源或高压脉冲电源。
上述高压脉冲的脉宽可为微秒量级至毫秒量级。
一种实现权利要求1所述方法的光纤激光器触发超宽带电磁脉冲辐射系统，包括超短脉冲光纤激光器1，其特殊之处在于所述超短脉冲光纤激光器1的输出经光纤连接至光纤放大器2，所述光纤放大器2的输出经光纤耦合至光导开关4，所述的光导开关4与偏置电压装置3相连接，所述光导开关4的输出接超宽带天线5。
上述超短脉冲光纤激光器1以采用环形腔或“8”字腔结构的掺镱光纤飞秒激光器为佳。
上述光纤放大器2以采用双包层光纤放大器为佳。
上述光导开关4以采用体状光导开关为佳。
上述偏置电压装置3的偏置电源脉冲可采用直流电源；上述偏置电压装置3的偏置电源脉冲采用高压脉冲电源时，所述的偏置电压装置3和超短脉冲光纤激光器1均与同步控制装置6连接。
本发明具有以下优点1.利用超短激光脉冲触发光导开关来产生超宽带电磁脉冲，可满足整个系统带宽、天线与开关的耦合、系统尺寸等指标要求。同时具有输出一致性好、输出抖动小的优点，易于实现阵列化辐射系统。
2.采用光导开关，易于产生皮秒级高压电脉冲。
3.由于光导开关所产生的电脉冲时间抖动小，约为几个皮秒，对于百皮秒级脉宽的电脉冲而言抖动变化很小。又由于不同的光导开关具有良好的输出一致性，因此当光导开关做成阵列后，通过控制每个开关触发光脉冲的相位就可以间接控制输出电脉冲的相干性。这为实现多个电磁脉冲的相干合成提供了可能。
4.采用光纤超短脉冲激光器作为光导开关触发光源。将飞秒掺镱光纤振荡器输出用双包层掺镱光纤放大器进行功率放大，使输出光能达到光导开关触发能量的要求，能以灵活的配接位置及触发方式进行工作，体积小，集成化成度高。
5.本发明可实现全固态的超宽带电磁辐射系统，产生超宽带电磁脉冲，可应用于电子对抗、超宽带雷达目标探测等领域。
6.输出的电磁脉冲频带宽，其频带可达到百GHz至THz范围。
7.使用全光纤激光器结构，工作稳定可靠，无须调试，散热性好。
8.本发明系统整体结构简单紧凑，易于集成，有利于实现超宽带电磁脉冲辐射系统的小型化、简便化。
9.本发明研制的系统所辐射的电磁脉冲将具有慢衰减特性，能够以三维脉冲结构的形式，类似孤子一样将能量集中在空间局部区域并以比平方反比率慢的衰减方式向前传播，从而可实现远距离的传输。
附图为本发明的结构示意图。
附图标号说明1-超短脉冲光纤激光器，2-光纤放大器，3-偏置电压装置，4-光导开关4，5-超宽带天线，6-同步控制装置。
具体实施例方式
采用超短激光脉冲触发的光导开关(简称PCSS)是极为有效的超宽带电磁脉冲源，其具有体积小、重量轻，高辐射功率等优点，且易集成为开关阵列用做大功率电磁辐射源，这在研制高功率固态超宽带电磁脉冲源方面极为有用。
光导开关的工作原理主要是利用半导体材料的光导效应。利用超短激光脉冲触发施加偏置电压的光导开关，使材料内部产生非平衡载流子，在瞬间增加半导体材料的电导率；光消失后开关闭合，光生载流子很快被复合，则光导开关将输出超短电脉冲。电脉冲的幅度与所加的偏置电压及光强有关，脉冲的宽度则与触发的光脉冲相似。当分别用纳秒、皮秒激光触发光导开关，其输出也将为纳秒和皮秒宽度的电脉冲，通过超宽带天线则产生超宽带电磁脉冲，相应的频带可达到GHz甚至到THz量级。
本发明触发光导开关所采用的激光器为超短脉冲光纤激光器，其具有体积小、集成度高等特点。目前研制出的飞秒掺镱光纤振荡器，输出的激光脉冲波长为1050-1064nm附近，脉冲宽度200皮秒左右，重复频率达20MHz，输出稳定性好。为，设置双包层掺镱光纤放大器，可将脉冲能量放大到μJ量级。
参见附图，本发明的实现步骤如下1.产生触发光源采用超短脉冲光纤激光器1输出皮秒级或飞秒级脉冲宽度的超短激光脉冲触发光源。超短脉冲光纤激光器1可采用环形腔或“8”字腔结构的掺镱光纤飞秒激光器。
2.将超短激光脉冲放大至满足触发能量要求超短激光脉冲通过光纤连接至光纤放大器2，经放大后获得满足光导开关4触发阈值的超短激光脉冲。光纤放大器2可采用双包层光纤放大器2。
3.经放大的超短激光脉冲触发加有偏置电压的光导开关4光导开关4加有偏置电压装置3，经放大的超短激光脉冲通过光纤传输并耦合至光导开关4，触发加有偏置电压的光导开关4。光导开关4可采用体状(Bulk)光导开关，以得到更高的峰值功率。体状光导开关的耐压特性好，单个开关的输出峰值功率即可达MW级。光导开关4的偏置电源即偏置电压装置3，一般采用直流电源。若需更高的峰值功率，则可采用高压脉冲电源，为确保偏置电压装置3的偏置电源脉冲与超短脉冲光纤激光器1的触发光同步，偏置电压装置3和超短脉冲光纤激光器1均与同步控制装置6连接。高压脉冲的脉宽可从微秒量级至毫秒量级，其可完全满足产生皮秒宽度的电磁脉冲。
4.光导开关4输出超短电脉冲；5.将超短电脉冲转换为超短电磁脉冲超短电脉冲送至超宽带天线5，超宽带天线5将电能转换为电磁能。
6.形成超宽带电磁脉冲辐射超宽带天线5在空间辐射，形成超宽带电磁脉冲辐射。
权利要求
1.一种超宽带电磁脉冲辐射的形成方法，其特征在于该方法包括以下步骤1)产生超短激光脉冲触发光源通过超短脉冲光纤激光器(1)产生皮秒级或飞秒级脉冲宽度的超短激光脉冲触发光源；2)将超短激光脉冲放大至满足触发能量要求超短激光脉冲经光纤放大器(2)放大后，获得满足光导开关(4)触发阈值的超短激光脉冲；3)触发加有偏置电压的光导开关(4)经放大的超短激光脉冲触发加有偏置电压的光导开关(4)；产生偏置电压的偏置电压装置(3)的偏置电源脉冲与超短脉冲光纤激光器(1)的触发光同步；4)光导开关(4)输出超短电脉冲；5)将超短电脉冲转换为超短电磁脉冲超短电脉冲送至超宽带天线(5)转换为超宽带电磁脉冲；6)形成超宽带电磁脉冲辐射超宽带天线(5)在空间辐射，形成超宽带电磁脉冲辐射。
2.根据权利要求1所述的超宽带电磁脉冲辐射的形成方法，其特征在于所述光导开关(4)所加的偏置电压为直流电源或高压脉冲电源。
3.根据权利要求1或2所述的超宽带电磁脉冲辐射的形成方法，其特征在于所述的高压脉冲的脉宽为微秒量级至毫秒量级。
4.一种实现权利要求1所述方法的光纤激光器触发超宽带电磁脉冲辐射系统，包括超短脉冲光纤激光器(1)，其特征在于所述超短脉冲光纤激光器(1)的输出经光纤连接至光纤放大器(2)，所述光纤放大器(2)的输出经光纤耦合至光导开关(4)，所述的光导开关(4)与偏置电压装置(3)相连接，所述光导开关(4)的输出接超宽带天线(5)。
5.根据权利要求4所述的光纤激光器触发超宽带电磁脉冲辐射系统，其特征在于所述的超短脉冲光纤激光器(1)为环形腔或“8”字腔结构的掺镱光纤飞秒激光器。
6.根据权利要求4或5所述的光纤激光器触发超宽带电磁脉冲辐射系统，其特征在于所述的光纤放大器(2)为双包层光纤放大器。
7.根据权利要求6所述的光纤激光器触发超宽带电磁脉冲辐射系统，其特征在于所述的光导开关(4)为体状光导开关。
8.根据权利要求7所述的光纤激光器触发超宽带电磁脉冲辐射系统，其特征在于所述偏置电压装置(3)的偏置电源脉冲为直流电源；或所述偏置电压装置(3)的偏置电源脉冲为高压脉冲电源，所述的偏置电压装置(3)和超短脉冲光纤激光器(1)均与同步控制装置(6)连接。
全文摘要
一种超宽带电磁脉冲辐射的形成方法及实现该方法的系统，其通过超短脉冲光纤激光器输出超短激光脉冲触发光源，放大后触发加有偏置电压的光导开关，偏置电源脉冲与超短脉冲光纤激光器的触发光同步，光导开关输出超短电脉冲，送至超宽带天线将电能转换为电磁能，超宽带天线在空间辐射，形成超宽带电磁脉冲辐射。本发明解决了背景技术集成度低，体积庞大的技术问题。本发明易于产生皮秒级高压电脉冲，输出的电磁脉冲频带宽，其频带可达到百GHz至THz范围，可应用于电子对抗、超宽带雷达目标探测等领域。
文档编号H03K17/78GK1855715SQ20051004260
公开日2006年11月1日 申请日期2005年4月29日 优先权日2005年4月29日
发明者阮驰, 赵卫, 朱少岚, 陈国夫, 王屹山, 刘红军 申请人:中国科学院西安光学精密机械研究所