基于時(shí)間透鏡系統(tǒng)的沖擊脈沖產(chǎn)生與特性研究*

肖鴻晶 黃超 唐玉龍? 徐劍秋

1)(上海交通大學(xué)物理與天文學(xué)院,激光等離子體教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 200240)

2)(上海交通大學(xué),IFSA 協(xié)同創(chuàng)新中心,上海 200240)

1 引 言

實(shí)現(xiàn)約束核聚變的方式主要有兩種:一種是磁約束[1],另一種是慣性約束[2].在激光慣性約束驅(qū)動(dòng)核聚變(又稱點(diǎn)火)的具體方案中,中心點(diǎn)火[3?5]和快點(diǎn)火[6,7]是已經(jīng)被廣泛研究的兩種方案.2007年,Betti等[8]提出了一種新型的點(diǎn)火方案—沖擊點(diǎn)火.該方案將壓縮與點(diǎn)火分開,利用長(zhǎng)脈沖壓縮靶丸,再利用高功率的沖擊脈沖點(diǎn)火.沖擊點(diǎn)火方案具有結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、點(diǎn)火能量閾值低、系統(tǒng)能量增益較大、流體穩(wěn)定性較好等特點(diǎn)[9].因此,該方案一經(jīng)提出,便引起了廣泛的關(guān)注.理論分析[8,10]以及美國(guó)的 NIF[11]、OMEGA[12,13],法國(guó)的 LMJ[14],捷克的PLAS[15]等裝置的打靶實(shí)驗(yàn),都成功驗(yàn)證了沖擊點(diǎn)火方案具有高增益優(yōu)勢(shì),是實(shí)現(xiàn)成功點(diǎn)火的有效途徑.

高質(zhì)量的沖擊脈沖是利用沖擊點(diǎn)火方案實(shí)現(xiàn)聚變點(diǎn)火的關(guān)鍵因素.袁強(qiáng)等[16]通過數(shù)值模擬分析了影響沖擊脈沖質(zhì)量的主要參數(shù)有沖擊脈沖峰值功率、沖擊脈沖寬度、沖擊脈沖上升沿時(shí)間.這3個(gè)關(guān)鍵參數(shù)主要會(huì)影響沖擊點(diǎn)火中實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火的激光功率閾值和靶增益.沖擊點(diǎn)火所需要的激光峰值功率達(dá)到10 TW量級(jí),但隨著功率的增加,靶增益開始下降,所以沖擊脈沖峰值功率并不是越大越好;沖擊點(diǎn)火所需要的沖擊脈沖寬度需要達(dá)到100 ps量級(jí),以提供足夠的能量才能實(shí)現(xiàn)成功點(diǎn)火,但寬度越大意味著更多的點(diǎn)火能量輸入,這樣又會(huì)降低靶增益,所以沖擊脈沖寬度需要結(jié)合具體的實(shí)驗(yàn)條件進(jìn)行設(shè)計(jì);沖擊脈沖上升沿時(shí)間在百皮秒范圍時(shí)不會(huì)影響點(diǎn)火的效果,但是如果上升沿時(shí)間過長(zhǎng)就會(huì)增強(qiáng)激光等離子體的不穩(wěn)定性[17,18].基于以上分析,沖擊點(diǎn)火脈沖的脈沖寬度、脈沖上升沿時(shí)間、峰值功率對(duì)比度是影響成功點(diǎn)火的重要參數(shù)指標(biāo),因此如何實(shí)現(xiàn)高精度可控的沖擊脈沖顯得尤為重要.

袁強(qiáng)等[19]曾提出利用時(shí)域復(fù)合技術(shù)和空域復(fù)合技術(shù)來產(chǎn)生沖擊點(diǎn)火激光脈沖.時(shí)域復(fù)合技術(shù)指的是在不同的時(shí)段施加不一樣的調(diào)制,不同的調(diào)制方案達(dá)到的效果不同;空域復(fù)合技術(shù)指的是將壓縮脈沖與沖擊脈沖分開調(diào)制,然后再在耦合點(diǎn)處進(jìn)行時(shí)域拼接.上述工作并沒有具體描述如何實(shí)現(xiàn)高精度主動(dòng)可控以及高對(duì)比度的沖擊脈沖.

本文基于光纖環(huán)循環(huán)相位調(diào)制與光柵對(duì)壓縮的時(shí)間透鏡系統(tǒng)[20],提出一種新的獲取沖擊脈沖的設(shè)計(jì)方案并對(duì)其進(jìn)行深度研究.利用相位調(diào)制器對(duì)脈沖信號(hào)進(jìn)行非對(duì)稱頻譜展寬(左右兩側(cè)均為線性調(diào)制,但調(diào)制頻率不一樣),然后再利用光柵對(duì)對(duì)脈沖信號(hào)整體進(jìn)行頻域線性啁啾補(bǔ)償,實(shí)現(xiàn)對(duì)脈沖的時(shí)域非對(duì)稱壓縮,從而達(dá)到控制沖擊脈沖寬度、對(duì)比度等參數(shù)的目的.通過建立理論模型和數(shù)值模擬,研究了光纖環(huán)時(shí)間透鏡系統(tǒng)中的相位調(diào)制參數(shù)(調(diào)制函數(shù)、調(diào)制頻率、調(diào)制深度、調(diào)制圈數(shù)等)對(duì)頻譜信號(hào)和光柵對(duì)壓縮參量對(duì)最終輸出脈沖波形的影響,并采用多參量?jī)?yōu)化方法對(duì)各個(gè)參數(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)優(yōu)化.這種對(duì)沖擊脈沖的脈寬與峰值功率對(duì)比度獨(dú)立高精度可控的研究思路以及具體的參數(shù)設(shè)計(jì)方案,對(duì)產(chǎn)生高質(zhì)量沖擊脈沖具有一定的參考意義.

2 理論分析與模型建立

本文采用了基于光纖環(huán)相位調(diào)制與光柵對(duì)壓縮的時(shí)間透鏡系統(tǒng)來調(diào)控沖擊脈沖的光譜和波形.時(shí)間透鏡系統(tǒng),類似于空間透鏡給空間光場(chǎng)施加了一個(gè)二次相位(通過衍射后光斑被放大或縮小),時(shí)間透鏡在時(shí)域上對(duì)光場(chǎng)也同樣施加一個(gè)二次相位.因此,對(duì)于一個(gè)輸入激光脈沖,通過時(shí)間透鏡系統(tǒng)作用后,光場(chǎng)的頻譜會(huì)根據(jù)所施加的二次相位調(diào)制而展寬,而脈沖寬度會(huì)因?yàn)橄到y(tǒng)所施加的色散而展寬或者壓縮,這種時(shí)間和空間域上的相似性被稱為時(shí)空二元性[21].

本文采用了如圖1所示的裝置,該裝置主要包括三個(gè)部分:第一部分是通過強(qiáng)度調(diào)制器將連續(xù)光斬波為初始脈沖信號(hào);第二部分是通過光纖環(huán)相位調(diào)制系統(tǒng),在時(shí)域上對(duì)脈沖進(jìn)行循環(huán)相位調(diào)制,從而實(shí)現(xiàn)光場(chǎng)的頻譜展寬,避免了為實(shí)現(xiàn)較寬頻譜展寬而采用多個(gè)相位調(diào)制器級(jí)聯(lián)的弊端;第三部分是利用光柵對(duì)提供一個(gè)反常色散,類似于色散延遲線,在頻域上對(duì)信號(hào)進(jìn)行時(shí)間調(diào)制,最終實(shí)現(xiàn)脈沖壓縮.

圖1 時(shí)間透鏡裝置圖(MZ,馬赫-曾德爾調(diào)制器;YDFA,摻鐿光纖放大器;AWG,任意波形發(fā)生器;BPF,帶通濾波器;PM,位相調(diào)制器;G1 和 G2,光柵 1 和光柵 2)Fig.1.Schematic setup of the time lens concept(MZ,Mach-Zehnder modulator;YDFA,ytterbium-doped fiber amplifier;AWG,arbitrary waveform generator;BPF,band-pass filter;PM,phase modulator;G1 and G2,grating1 and grating2).

如圖1所示,裝置第一部分采用了1053 nm波段的單模連續(xù)光纖激光器作為種子光,通過強(qiáng)度調(diào)制器(12 GHz的任意波形發(fā)生器(AWG)施加調(diào)制信號(hào))將連續(xù)種子光信號(hào)斬波為一定時(shí)域?qū)挾群鸵欢l譜寬度的初始超高斯脈沖信號(hào)(受強(qiáng)度調(diào)制器本身的電學(xué)特性影響,如果需要斬波的脈沖低于10 ps,需要利用兩個(gè)強(qiáng)度調(diào)制器進(jìn)行錯(cuò)位削波);第二部分,脈沖經(jīng)過光纖環(huán)相位調(diào)制系統(tǒng),光纖環(huán)內(nèi),AWG施加調(diào)制信號(hào)精確控制光開關(guān)與相位調(diào)制器,放大器的作用主要是補(bǔ)償激光脈沖經(jīng)過光開關(guān)與相位調(diào)制器的功率損耗,從而能夠保證信號(hào)持續(xù)不斷地獲得相位調(diào)制;相位調(diào)制函數(shù)采用分段二次函數(shù),左右兩側(cè)的調(diào)制頻率不一致并且要保證相位調(diào)制函數(shù)的時(shí)間寬度大于初始斬波輸出脈沖的寬度,這是因?yàn)橛捎诠饫w的正色散,脈沖在光纖環(huán)內(nèi)循環(huán)數(shù)圈之后,初始脈沖的寬度會(huì)增加,如果相位調(diào)制函數(shù)的時(shí)間寬度小于脈沖寬度,那么脈沖將不能完全被相位調(diào)制函數(shù)調(diào)制;由于兩側(cè)的調(diào)制頻率的差異,脈沖經(jīng)過相位調(diào)制后,兩側(cè)的頻譜展寬量不同,當(dāng)頻譜展寬一定量后,脈沖將從光纖環(huán)內(nèi)輸出;第三部分,光纖環(huán)輸出脈沖經(jīng)過平行光柵對(duì)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)壓縮,本系統(tǒng)中構(gòu)造的平行光柵對(duì)系統(tǒng)所產(chǎn)生的色散補(bǔ)償量主要由平行光柵對(duì)整體相對(duì)于光信號(hào)的入射角和光柵對(duì)之間的距離決定.本文中,保持激光相對(duì)于光柵對(duì)的入射角不變,通過改變平行光柵對(duì)之間的距離來控制光柵對(duì)所提供的壓縮量.光柵對(duì)類似反常色散延遲線,其作用是對(duì)通過的光脈沖施加反常的群速度時(shí)延(GVD).因此,脈沖經(jīng)過光柵對(duì)系統(tǒng)后,脈沖被壓縮.在相同的光柵對(duì)壓縮參數(shù)下,頻譜展寬量越大,脈沖壓縮的程度越大.

初始斬波輸出的脈沖信號(hào)可以表示如下:

脈沖在光纖環(huán)內(nèi)每環(huán)繞一圈,光纖的色散、非線性效應(yīng)以及相位調(diào)制器都要產(chǎn)生作用.因此,脈沖經(jīng)過每一圈光纖環(huán)后,其譜寬與脈寬都要展寬.循環(huán)一圈之后的脈沖信號(hào)將作為下一圈的輸入信號(hào).這一循環(huán)的過程可以通過如下的方程組來描述:

其中,n是光纖環(huán)的圈數(shù),F是傅里葉變化,是傅里葉逆變換.

脈沖在光纖環(huán)內(nèi)經(jīng)過多次循環(huán)調(diào)制直到其頻譜展寬到預(yù)先設(shè)定好的展寬量,然后從光開關(guān)的另一端口輸出進(jìn)入光柵對(duì)壓縮系統(tǒng),從光纖環(huán)輸出的激光脈沖可表示為

本文采用如圖1所示的光柵對(duì)構(gòu)造裝置,?是入射角,θ是衍射角.光柵對(duì)提供的相位延遲由光柵對(duì)的距離d和光柵對(duì)之間的夾角?決定:

其中L是光柵周期.

通常情況下,二階色散導(dǎo)致的相位延遲對(duì)脈沖的展寬或者壓縮起主要作用[22],光柵對(duì)施加的二階色散相位變化表述如下:

其中l(wèi)0是脈沖的中心波長(zhǎng).

因此,脈沖經(jīng)過光柵對(duì)壓縮之后的信號(hào)可表述為

具體數(shù)值模擬時(shí),我們采用分步傅里葉算法(split-step Fourier method),利用 MATLAB 編程求解非線性薛定諤方程來模擬脈沖的演化,采用控制變量的方法具體分析各參數(shù)對(duì)脈沖與頻譜演化的影響.

3 模擬結(jié)果與分析

影響時(shí)間透鏡系統(tǒng)最終輸出的沖擊脈沖特性的主要因素有初始斬波脈沖的特性、相位調(diào)制函數(shù)的調(diào)制頻率、調(diào)制深度、光柵對(duì)壓縮量等.本節(jié)主要闡述產(chǎn)生沖擊脈沖的具體設(shè)計(jì)方案以及分析影響沖擊脈沖特性的關(guān)鍵因素.

首先利用強(qiáng)度調(diào)制器斬波出脈寬大約1.06 ns、頻譜寬度大約為0.0045 nm的超高斯脈沖(如圖2所示).

相位調(diào)制函數(shù)設(shè)計(jì)圖如圖3所示,設(shè)計(jì)相位調(diào)制函數(shù)兩側(cè)均為二次函數(shù),保證施加給脈沖的頻率啁啾為線性啁啾.調(diào)制深度設(shè)定為30.相位調(diào)制函數(shù)左右兩側(cè)的調(diào)制頻率自適應(yīng)輸入脈沖的脈寬.在圖2所示的輸入脈沖下,脈沖左側(cè)調(diào)制頻率fl設(shè)定約為 1.17 GHz,右側(cè)調(diào)制頻率fr設(shè)置約為 1.3 GHz.脈沖被相位調(diào)制的次數(shù)越多,光譜展寬越大,但是由于右側(cè)調(diào)制頻率較左側(cè)調(diào)制頻率更大,因此兩側(cè)的光譜展寬量有差異.

圖2 強(qiáng)度調(diào)制器斬波出的脈沖頻譜(a)與波形(b)Fig.2.Spectrum(a)and pulseshape(b)of the seed laser ter the intensity modulator.

圖3 相位調(diào)制函數(shù)圖Fig.3.Diagram of phase modulation function.

圖4是經(jīng)過相位調(diào)制器后的頻譜信號(hào)與輸出脈沖波形.圖4(a)表示輸出頻譜信號(hào).隨著環(huán)繞圈數(shù)的增加,頻譜寬度不斷增加.相位調(diào)制函數(shù)右側(cè)對(duì)應(yīng)的是短波信號(hào),即藍(lán)移分量,左側(cè)對(duì)應(yīng)的是長(zhǎng)波信號(hào),即紅移分量.在圖3所示的相位調(diào)制函數(shù)調(diào)制下(右側(cè)調(diào)制頻率大于左側(cè)調(diào)制頻率),短波對(duì)應(yīng)的頻譜展寬量會(huì)大于長(zhǎng)波對(duì)應(yīng)的頻譜展寬量.由于能量守恒的原因,所以圖4(a)頻譜圖中左側(cè)短波信號(hào)對(duì)應(yīng)的幅值小于右側(cè)長(zhǎng)波對(duì)應(yīng)的幅值.當(dāng)環(huán)繞圈數(shù)達(dá)到55圈時(shí),光譜會(huì)發(fā)生細(xì)微振蕩,這是因?yàn)槊}沖寬度也在不斷增加,相位調(diào)制函數(shù)已經(jīng)不能夠完全調(diào)制脈沖(脈沖邊緣部分沒有被調(diào)制),由于光纖的非線性效應(yīng)(自相位調(diào)制)和色散相互作用導(dǎo)致光譜振蕩.圖4(b)表示的是輸出脈沖信號(hào).由于光纖的正常色散特性,脈沖經(jīng)過光纖環(huán)內(nèi)循環(huán)多圈后,脈沖寬度會(huì)展寬.由于光纖的色散對(duì)稱地施加于脈沖頻譜兩側(cè),而寬頻譜展寬量的脈沖部分獲得的色散量更大,使得脈寬展寬更大,因此經(jīng)過光纖色散后輸出的脈沖信號(hào)的兩側(cè)脈寬都展寬,但是右側(cè)相對(duì)展寬更大,從而也導(dǎo)致右側(cè)的強(qiáng)度幅值小于左側(cè)的強(qiáng)度幅值.

圖4 考慮色散與非線性效應(yīng)時(shí)脈沖信號(hào)經(jīng)過光纖環(huán)不同圈數(shù)相位調(diào)制之后的頻譜(a)與脈沖(b)的演化Fig.4.Evolution of the spectrum(a)and shape(b)of the pulse after different round trips of phase modulation(before compression)when the dispersion and nonlinear effects of fibers are included.

3.1 光柵對(duì)的間距對(duì)沖擊脈沖特性的影響

光柵對(duì)實(shí)際上類似于反常色散延遲線,即對(duì)脈沖信號(hào)施加反常色散.對(duì)于擁有正啁啾的脈沖信號(hào)經(jīng)過此光柵對(duì)時(shí),脈沖寬度就會(huì)被壓縮.如圖4(a)所示,短波對(duì)應(yīng)的頻譜展寬量比長(zhǎng)波更大,因此脈沖在經(jīng)過光柵對(duì)壓縮時(shí),短波更容易被壓縮,所以短波部分對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度幅值大于長(zhǎng)波部分對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度幅值,于是在時(shí)域上便被調(diào)制出沖擊脈沖形狀.

對(duì)于擁有一定頻譜展寬的脈沖再利用光柵對(duì)進(jìn)行壓縮時(shí),該壓縮量必然有一個(gè)范圍,超過這個(gè)范圍,脈沖就會(huì)發(fā)生分裂和振蕩.脈沖壓縮量逐漸增大時(shí),壓縮脈沖與沖擊脈沖的寬度都會(huì)被壓縮且沖擊脈沖的峰值功率的對(duì)比度也會(huì)相應(yīng)地發(fā)生改變.在本系統(tǒng)中,控制光柵對(duì)角度不變,通過改變光柵對(duì)的間距來調(diào)節(jié)了光柵對(duì)提供的壓縮量.

如圖5所示,隨著光柵對(duì)距離的增大,光柵對(duì)所提供的壓縮量越大,則其壓縮輸出的脈沖寬度越窄,同時(shí)沖擊脈沖峰值功率的對(duì)比度越大.當(dāng)光柵對(duì)的距離為3 m時(shí),沖擊脈沖功率與壓縮脈沖的功率之比約為2︰1,且沖擊脈沖的寬度約為100 ps,符合沖擊點(diǎn)火對(duì)沖擊脈沖寬度的要求.當(dāng)光柵對(duì)的距離為3.5 m時(shí),由于光柵對(duì)提供的壓縮量相對(duì)較大造成了過度壓縮,因此沖擊脈沖峰值處逐漸發(fā)生分裂,脈沖波形也產(chǎn)生了畸變(如圖5插圖所示).因此,在采用光柵對(duì)進(jìn)行脈沖壓縮時(shí),并不是壓縮量越大越好,需要根據(jù)沖擊脈沖的特性而設(shè)計(jì)出相應(yīng)的壓縮參數(shù)方案.

3.2 輸入脈沖波形對(duì)沖擊脈沖特性的影響

沖擊脈沖的上升沿特性對(duì)沖擊點(diǎn)火效能具有很大的影響,其中脈沖沿的陡峭度是一個(gè)關(guān)鍵參數(shù).影響沖擊脈沖陡峭度的最主要因素是輸入脈沖函數(shù)的階數(shù),階數(shù)越大,輸入脈沖越陡峭,波形越接近方波,階數(shù)越小,輸入脈沖越平滑,波形越接近高斯函數(shù).

輸入函數(shù)的方程可以表示為

式中,參量T0為脈沖功率最大值一半處的全寬度;t采用納秒單位(10–9s);m為輸入函數(shù)的階數(shù),主要決定了脈沖前后沿的陡度;X和m共同決定輸入脈沖的寬度.m=1,就是高斯脈沖情形,如果m值較大,函數(shù)就對(duì)應(yīng)為前后沿陡峭的方形脈沖.而輸入脈沖寬度越小,相應(yīng)的有效相位調(diào)制頻率就越大,因此在同等的相位調(diào)制次數(shù)下,脈沖獲得的頻譜展寬量就越大,脈沖更容易被壓縮.

圖5 不同光柵對(duì)距離對(duì)最終輸出脈沖的影響(光纖環(huán)環(huán)繞圈數(shù)設(shè)定為55圈,光柵對(duì)角度設(shè)定為30°)Fig.5.Final output pulse shape with different grating-pair distance settings(the number of fiber loops is set to 20 turns and the grating pair angle is set to 30 degrees).

模擬過程中,控制X=1.7,脈沖在光纖環(huán)中環(huán)繞圈數(shù)不變(55圈),控制光柵對(duì)參數(shù)不變(?=30°,d=3 m),分析輸入脈沖波形對(duì)最終產(chǎn)生的沖擊脈沖特性的影響.如圖6所示,隨著初始斬波脈沖邊緣陡峭度的增加(波形函數(shù)階數(shù)增加),脈沖光譜的展寬寬度也逐漸增大,最終壓縮輸出的脈沖寬度越窄,沖擊脈沖與壓縮脈沖峰值功率的對(duì)比度也越高(1.25—2.5).圖6其實(shí)也說明了調(diào)制頻率對(duì)沖擊脈沖性能的影響,因?yàn)槊}沖越陡峭得到的有效調(diào)制頻率越高,頻譜展寬量越大,在同等壓縮量下,脈沖更容易被壓縮.

圖6 輸入脈沖陡峭度對(duì)經(jīng)過時(shí)間透鏡系統(tǒng)之后的頻譜展寬(a)和脈沖波形(b)的影響Fig.6.Influences of the input pulse shape(different orders of Gaussian function)on the spectrum(a)and pulse shape(b)of the output pulse after being operated by the time lens system.

3.3 頻譜展寬量對(duì)沖擊脈沖性能的影響

上述分析表明,當(dāng)脈沖獲得不同的頻譜展寬量時(shí),必須要計(jì)算出光柵對(duì)提供的合適壓縮量才能產(chǎn)生特定性能指標(biāo)的沖擊脈沖.影響頻譜展寬量的因素主要有單次相位調(diào)制的展寬量與相位調(diào)制的次數(shù).影響單次相位調(diào)制展寬量的主要因素是相位調(diào)制深度與調(diào)制頻率.本文研究通過控制光柵對(duì)參數(shù)不變(?=30°,d=3 m),將不同頻譜展寬量的脈沖經(jīng)過相同的光柵對(duì)壓縮參數(shù)進(jìn)行脈沖壓縮,從而將輸出的脈沖進(jìn)行對(duì)比.本節(jié)控制初始斬波脈沖函數(shù)不變、相位調(diào)制頻率不變,通過改變相位調(diào)制深度和調(diào)制次數(shù)來改變光譜的展寬量.圖7中輸入函數(shù)X=1.7,m=5,左側(cè)調(diào)制頻率fl設(shè)定約為1.17 GHz、右側(cè)調(diào)制頻率fr設(shè)置約為 1.31 GHz、控制光柵對(duì)參數(shù)不變(?=30°,d=3 m),圖7(a)表示相位調(diào)制次數(shù)設(shè)定55圈時(shí),相位調(diào)制深度越大,則脈沖經(jīng)過相位調(diào)制之后的頻譜展寬越大,當(dāng)調(diào)制深度取為40,此時(shí)調(diào)制函數(shù)已經(jīng)無法完全調(diào)制脈沖信號(hào)函數(shù),因此頻譜產(chǎn)生振蕩.圖7(b)表示的是脈沖頻譜展寬量越大,脈沖越容易被壓縮,但是一旦壓縮過量,脈沖就會(huì)產(chǎn)生畸變.圖7(c)表示相位調(diào)制深度取30時(shí),相位調(diào)制次數(shù)越多,則脈沖經(jīng)過相位調(diào)制之后的頻譜展寬越大.圖7(d)表示經(jīng)過特定壓縮量下輸出的沖擊脈沖信號(hào),相位調(diào)制次數(shù)越多時(shí)(光譜展寬越大)脈沖壓縮后的脈寬越窄、對(duì)比度越高.

3.4 產(chǎn)生特定沖擊脈沖波形的參數(shù)設(shè)計(jì)方案

在具體使用沖擊點(diǎn)火方案時(shí),可能會(huì)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)條件而選擇不同指標(biāo)的沖擊脈沖.基于以上分析,影響沖擊脈沖性能指標(biāo)的因素有初始斬波函數(shù)、相位調(diào)制函數(shù)、光柵對(duì)壓縮等參數(shù),因此通過優(yōu)化組合設(shè)計(jì)上述參數(shù)達(dá)到保證沖擊脈沖寬度一定時(shí)獨(dú)立控制沖擊脈沖峰值功率對(duì)比度、或者保證沖擊脈沖峰值功率對(duì)比度一定時(shí)獨(dú)立控制沖擊脈沖寬度將對(duì)靈活控制最終的實(shí)驗(yàn)效果具有參考意義.

圖7 壓縮量一定時(shí),頻譜展寬量不一樣時(shí)被壓縮輸出后的脈沖(a),(b)表示調(diào)制深度不同的情況下,頻譜展寬與被壓縮輸出后的脈沖;(c),(d)表示相位調(diào)制次數(shù)不同,頻譜展寬與被壓縮輸出后的脈沖Fig.7.Output pulse after different amount of spectrum broadening when the amount of compression is constant:(a),(b)Broadening spectrum and the output pulse after different modulation depth;(c),(d)the broadening spectrum and output pulse after different round trips.

圖8 不同參數(shù)設(shè)計(jì)下最終壓縮輸出的脈沖(a)控制沖擊脈沖寬度不變,改變沖擊脈沖峰值功率對(duì)比度;(b)控制沖擊脈沖峰值功率之比不變,改變沖擊脈沖寬度Fig.8.Final output pulse under different combined-parameter design:(a)Tuning the ratio of the peak power of the shock pulse and the compress pulse while keeping the shock pulse width unchanged;(b)modifying the shock pulse width while keeping the ratio of the peak power of the shock pulse to the compress pulse unchanged.

如果光柵對(duì)的壓縮量不變,那么經(jīng)過相位調(diào)制之后的頻譜展寬中,僅有在短波(藍(lán)移分量)的頻譜展寬量也保持不變的情況下,沖擊脈沖的寬度與沖擊脈沖對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度幅值才會(huì)保持不變,此時(shí)僅需要調(diào)節(jié)長(zhǎng)波(紅移分量)的頻譜展寬量,即可單獨(dú)控制沖擊脈沖峰值功率的對(duì)比度.如果沖擊脈沖的脈寬發(fā)生變化,則其對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度幅值也會(huì)發(fā)生變化.在這種情況下,必須綜合調(diào)節(jié)短波長(zhǎng)部分的頻譜展寬量、光柵對(duì)的壓縮量才能保持沖擊脈沖峰值功率對(duì)比度不變.因此通過斬波函數(shù)、相位調(diào)制函數(shù)、光柵對(duì)壓縮量的綜合參數(shù)設(shè)計(jì)才能保證沖擊脈沖峰值功率對(duì)比度一定時(shí)獨(dú)立控制沖擊脈沖寬度.圖8(a)中,斬波函數(shù)中X=1.7,高斯階數(shù)m=5,相位調(diào)制函數(shù)中調(diào)制深度為30,右側(cè)調(diào)制頻率fr設(shè)置約為 1.31 GHz,光纖環(huán)的環(huán)繞圈數(shù)為 55,控制光柵對(duì)參數(shù)不變(?=30°,d=3 m),通過調(diào)節(jié)左側(cè)調(diào)制頻率,本時(shí)間透鏡系統(tǒng)最終可以實(shí)現(xiàn)對(duì)控制沖擊脈沖的脈寬不變而單獨(dú)調(diào)節(jié)沖擊脈沖峰值功率的對(duì)比度.圖8(b)中,斬波函數(shù)中高斯階數(shù)m=5,相位調(diào)制函數(shù)中調(diào)制深度為 30,光纖環(huán)的環(huán)繞圈數(shù)為55,光柵對(duì)的角度保持不變(?=30°).通過調(diào)節(jié)輸入斬波函數(shù)的X變量、左側(cè)調(diào)制頻率、右側(cè)調(diào)制頻率、光柵對(duì)的間距,最終可以實(shí)現(xiàn)保持沖擊脈沖的峰值功率的對(duì)比度不變而單獨(dú)調(diào)控沖擊脈沖寬度.

4 結(jié) 論

本文主要研究了利用光纖環(huán)相位調(diào)制與光柵對(duì)壓縮的時(shí)間透鏡系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)高精度可控的沖擊脈沖,給出了具體的設(shè)計(jì)參數(shù)并詳細(xì)分析了關(guān)鍵參數(shù)對(duì)沖擊脈沖性能的影響.研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)相位調(diào)制函數(shù)采用分段函數(shù)并保證兩側(cè)調(diào)制頻率不同,通過組合優(yōu)化初始斬波脈沖函數(shù)、相位調(diào)制次數(shù)、相位調(diào)制頻率、光柵對(duì)壓縮量等參數(shù),可以得到各種性能指標(biāo)靈活可調(diào)的沖擊脈沖.影響沖擊脈沖的沖擊比的關(guān)鍵因素是光柵對(duì)提供的壓縮量,可以通過壓縮量來控制沖擊脈沖的沖擊比,但如果壓縮過量,那么最終的脈沖將會(huì)畸形或偏離沖擊波形;影響沖擊脈沖陡峭度的是初始斬波脈沖高斯函數(shù)的階數(shù),該階數(shù)越高,經(jīng)過相位調(diào)制之后的沖擊脈沖則越陡峭,上升沿寬度則越窄;影響壓縮后的最終輸出脈沖寬度的主要因素是信號(hào)的頻譜展寬量,當(dāng)頻譜展寬量越大時(shí),脈沖越容易被壓縮.本文提出的新型沖擊脈沖產(chǎn)生方案,能夠?qū)_擊脈沖的脈寬、脈沖的陡峭度、對(duì)比度、脈沖波形等關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行高精度主動(dòng)調(diào)控,為實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的沖擊脈沖提供了一種新思路.