应用于动态核极化核磁共振系统的改进型传输线研究（英文）

基于几何光学理论和矢量衍射理论,设计了263 GHz DNP-NMR谱仪的改进反射镜系统,并进行了数值模拟.该系统包括两个波纹波导、一个抛物面镜和一个角度可调的相位校正镜.仿真结果表明,获得了聚焦良好的类高斯输出光束,其标量高斯模含量为99.90%,矢量高斯模含量为99.55%.只有通过调整相位校正镜的角度来匹配DNP-NMR样品,才能改变输出光束的方向.当输出光束方向在±15°变化时,标量高斯模含量约为99.57%,矢量高斯模含量约为98.97%.     

170 GHz兆瓦级回旋管TE25,10准光模式变换器设计

为满足聚变用170 GHz回旋管高功率输出和高效率传输的要求,需将高阶工作模式TE_25,10转换为高斯波束;针对这一技术需求,完成了170 GHz、TE_25,10模式高效准光模式变换器的设计,准光模式变换器由辐射器和镜面系统组成。基于几何光学和耦合波理论,完成了Denisov型辐射器相关设计;基于矢量衍射定理和相位校正算法,设计了由一个抛物面镜面、一个准椭圆镜面及一个相位校正镜面组成的镜面系统;使用Surf3D软件对辐射器进行了优化和计算,使用三维全波仿真软件FEKO对镜面系统进行了优化和计算,主要对辐射器微扰幅值、位置分布及相位差进行了优化。所设计准光模式变换器系统的能量转换效率约为95.2%,波束在输出窗处的标量高斯含量约为97.6%,矢量高斯含量约为91.8%,达到了回旋管的应用要求。     

TE矢量高斯光束的二阶矩传输

运用光束传输的非傍轴矢量矩理论,对TE矢量高斯光束的传输进行了研究,给出了束腰、横向发散角和光 束传输因子的积分表达式。基于能流二阶矩定义的横向光束宽度在传输过程中服从简单的双曲线变化规律。数 值计算表明,在高度非傍轴情形下,由于TE偏振导致两个横向存在不同的光束传输特性,且最大的横向发散度超 过了非傍轴标量高斯光束的发散度极限63.43°,接近于90°,这与波动光学理论相符合,其中x方向上的发散度略 比y方向上的大。而对于傍轴情形,在非傍轴标量高斯光束傍轴化条件下,TE矢量高斯光束的传输可简化为横基 模傍轴标量高斯光束,稍有区别的是其光束传输因子始终保持略大于1,且永远不能精确地等于1。     

高斯输出镜对平凹腔模式影响研究

运用边界元法数值计算了平凹谐振腔具有高斯反射镜情况下的场强分布和相位分布,考察了高斯反射镜谐振腔的模鉴别规律和增大模半径的规律.高斯反射率镜平凹腔可扩大模式本征值差,具有模鉴别能力,中心反射率大小对选模能力也有影响,但对基模半径无影响.同时,高斯镜具有对输出光束整形的功能.     

相位共轭腔的新问题

本文指出在相位共轭腔中存在如下两个新问题:(1)在由球面镜与相位共轭镜构成的谐振腔中,球面波和高斯光束均是腔的本征模;(2)在由高斯反射率镜与相位共轭镜构成的谐振腔中,球面波和高斯光束均不自洽.     

矢量涡旋光束经光阑-透镜系统的OAM与偏振特性

与标量涡旋光束不同,矢量涡旋光束同时具有各项异性的空间偏振分布和螺旋相位分布,并携带与相位分布有关的轨道角动量(Orbital angular momentum,OAM)。根据柯林斯衍射积分理论,得到了傍轴近似条件下矢量涡旋光束的OAM密度,实验采集了矢量涡旋光束通过光阑-透镜系统后的光场,详细讨论了光阑截断参数以及光阑-透镜间距等参数对矢量涡旋光场及其OAM密度的影响。结果表明:相比标量涡旋光束,矢量涡旋光束OAM通过光阑系统后随传输距离的衰减更慢,受光阑截断参数影响更小。矢量涡旋光束偏振态不受光阑-透镜系统影响,截断参数大于4.2时,轨道角动量密度和光强不受截断参数影响。在透镜焦点位置处,OAM密度达到最大值。研究结果为矢量涡旋光束OAM特性的应用提供理论依据。     

矢量衍射理论的比较研究及标量近似的有效性

光束束腰与波长相比拟时,标量近似已不再成立.以高斯光束的微小圆孔衍射为例,对矢量衍射场的级数解、非傍轴近似解以及精确解进行了详细的数值计算和比较研究.结果表明,对受硬边光阑限制的非傍轴光束,级数展开法适用于处理光束在近场区域的传播,而非傍轴近似解则适用于处理非近场区域光束的传播,具有一定的互补性.讨论了高斯光束圆孔衍射标量近似的有效性,当高斯光束的束腰半径、衍射孔孔径大于几个光波波长时,标量衍射理论是精确、有效的.     

三反射镜准光模式变换器的设计与模拟

本文设计了一种用于W 波段边廊模回旋振荡管的三反射镜准光模式变换器。该模式变换器由一个Vlasov 型螺旋 切口辐射器和三面聚焦反射镜构成,可以将回旋管输出的高阶模式高效地转换为准高斯模式。根据矢量绕射理论和物理 光学法编写了模拟仿真程序,并对辐射器和反射镜的空间辐射场进行了计算、优化和分析。计算结果表明：输出波束中 高斯基模的标量相关系数为97.9%,矢量相关系数为95.9%,转换效率达到了81.5%。     

具有两个瑞利长度三镜折叠腔的设计

为了提高倍频效率、分析倍频晶体内束腰位置对倍频效率的影响,根据基模高斯光束传输特性,结合稳定三镜折叠腔中端镜处等相位面曲率半径与腔镜曲率半径相等这一特点,在激光光束传输的合适位置上,放入与等相位面曲率半径相同的腔镜,构成倍频晶体内具有两个瑞利长度的三镜折叠腔,提高了倍频效率。对比了相同端镜构成的具有一个瑞利长度和两个瑞利长度谐振腔,相对于分臂长度变化的稳区范围。结果表明,使用5W光纤耦合880nm激光二极管,端面抽运3mm×3mm×5mm的Nd:YVO₄,采用10mm×2.1mm×0.5mm的PPMgOLN为倍频晶体,使用具有两个瑞利长度的谐振腔比具有一个瑞利长度的谐振腔,整体提高倍频效率约18%,两种腔型的光束质量相同,倍频光与基频光偏振方向一致,输出稳定的低噪声绿光,验证了谐振腔设计的有效性。该研究对腔内倍频效率的提高是有帮助的。     

衍射微透镜阵列用于面阵半导体激光光束匀化

提出了一种用衍射微透镜阵列对面阵半导体激光光束进行匀化的方法,解决了折射型微透镜阵列难于实现高填充因子、高精度面型的难题。基于标量衍射理论,设计了具有多阶相位结构的衍射微透镜阵列,推导了半导体激光从输入面到输出面的光场计算公式。数值模拟了非成像型微透镜阵列光束匀化系统,并对其进行了实验验证。当衍射微透镜的口径为0.125mm,相对孔径为0.1,相位台阶数为8时,测得焦斑在快轴方向的不均匀性为12.34%,能量利用率为96.6%;慢轴方向的不均匀性为5.42%,能量利用率为95.74%。实验结果与理论模拟的结果吻合,验证了衍射微透镜阵列光束匀化系统模型的可行性。     

Design of a Quasi-Optical Mode Converter for a Frequency Step-Tunable Gyrotron

The quasi-optical mode converter for a frequency step-tunable gyrotron which consists of a dimpled-wall antenna (Denisov-type launcher) and a beam-forming mirror system has been optimized for 9 modes from TE_17,6 at 105 GHz to TE_23,8 at 143 GHz. The first mirror is a large quasi-elliptical focusing one; the second and third are phase-correcting mirrors with a non-quadratic shape of the surface. The results of calculations show that for these modes the Denisov-type launcher has a well-focused beam with low diffraction losses, and the radiation pattern presents an almost identical field shape for all modes considered. A multi-mode optimization of the phase-correcting mirrors with two different methods has been tested. The simulations show that the phase-correcting mirrors can be used for broadband operation in the frequency range from 105 GHz up to 143 GHz in the various design modes. This quasi-optical mode converter can achieve efficiencies of 94%-98% for converting the rotating high-order cylindrical cavity modes into the usable fundamental Gaussian mode.     

A high-efficiency quasi-optical mode converter for a 140-GHz 1-MW CW gyrotron

A highly efficient quasi-optical mode converter system with several novel features has been designed and tested at Forschungszentrum Karlsruhe (FZK). The converter consists of a dimpled-wall waveguide launcher, one quasi-elliptical mirror and two toroidal mirrors. The coupled-mode theory has been used to analyze the operation of the prebunching waveguide launcher; the radiated fields from the cut of the launcher have been calculated by the scalar diffraction integral. Simulation results show that the advanced dimpled-wall launcher generates a well-focused Gaussian radiation pattern with low diffraction losses. In this case, toroidal mirrors are sufficient to obtain a desired output beam pattern. An efficiency of more than 98% has been achieved to convert the rotating TE/sub 28,8/ cavity mode at 140 GHz into a fundamental Gaussian beam. Experimental measurements show close agreement with theoretical predictions.     

一种准光模式变换器的设计和实验

准光模式变换器是实现高功率回旋管高效输出的重要部件。该文针对140 GHz, TE_28,8模回旋振荡管研制,开展以Denisov型辐射器和3个准光镜面构成的准光模式变换器设计与实验研究。利用标量衍射法优化辐射器辐射口径处的场分布,其与理想高斯场之间的矢量相关性为96.2%;基于几何光学和高斯波束匹配方法设计了聚焦镜面与波束整形镜面,采用3维全波分析软件Surf3D获得各个镜面上及输出窗处的场分布,对所设计的镜面系统进行了仿真验证,在输出窗处获得了高斯模式含量为96.67%的输出波束,整个模式变换器的功率转换效率为93.98%。以自行研制的TE_28,8模激励器作为准光模式变换器的输入,通过对模式变换器转换性能仿真结果验证,在严格控制加工精度及装配和实验过程的基础上,完成了准光模式变换器转换性能的冷测实验。实验结果表明,设计和实验具有合理的一致性,可以作为准光模式变换器工程应用设计和验证手段。     

Synthesis of Gyrotron Phase-Correcting Mirrors Using Irradiance Moments

A new approach using the moments of field amplitudes has been applied for phase-correcting mirror synthesis of a 110-GHz gyrotron internal mode converter. The synthesized mirrors have smooth profiles in contrast to the mirrors synthesized using the previously employed iteration method. The design has been checked using a physical optics propagation code with the result of a Gaussian output amplitude at the gyrotron window position.     

太赫兹二次谐波回旋振荡管

针对应用于动态核极化核磁共振成像的太赫兹回旋振荡器管展开研究,采用相对论电子回旋脉塞非线性理论分析0.46 THz 回旋振荡管互作用系统的动力学行为,研究系统模式竞争问题。优化器件系统参数以获得较高的注-波能量转化效率。利用粒子模拟(PIC)方法验证非线性动力学研究结果,模拟结果显示当工作电压为12 kV、工作电流为0.24 A 时,输出功率和效率分别为173 W 和6%。若采用降压收集极后,则整管效率可进一步提高至14.4%。     

Hybrid Transmission Line for ECRH in the Helically Symmetric Experiment

The HSX oversized, mode-converting ECRH transmission line has been upgraded to a hybrid system to increase launched microwave power and reduce electrical arcing. Filtering of high-order, spurious modes ensures efficient coupling to a Gaussian beam for optimal electron heating. A Vlasov mode converter and two phase-correcting ellipsoidal mirrors convert the TE₀₂ gyrotron output mode to a symmetric, linearly polarized, microwave beam. A swappable twist reflector plate rotates beam polarization for 2nd-harmonic X-mode or fundamental O-mode ECRH. Long distances are traversed by coupling the beam to a dual-mode (TE₁₁?+?TM₁₁), smooth, circular cross-section waveguide. This system has been successfully tested without arcing for 50 ms pulses and over 100 kW of launched power. Analysis of the microwave beam for 50 kW, 2 ms microwave pulses reveals agreement with predicted beam shapes at two beam locations. The new system has also demonstrated increased plasma stored energy for ECRH plasmas with equal launched power.     

频率可调太赫兹回旋振荡管互作用电路的设计与研究

根据动态核极化核磁共振成像技术对回旋振荡管的要求,设计了130 GHz 回旋振荡管的注波互作用电路,基于线性理论对互作用电路进行了研究并选择了合适的工作点,分析了电路的频率调节特性。利用相对论电子回旋脉塞非线性理论对互作用系统进行了模拟和计算,优化了工作参数,计算了磁场及电子注参数对输出功率及效率的影响。最后,用粒子模拟方法进行了模拟并与非线性理论结果进行了比较,两者符合得很好。模拟结果显示,当电压为10 kV、电流为0.3 A、磁场强度由2.34 T 增加到2.41 T 时,输出功率由1310 W 减小到230 W,对应的效率分别为43.6%和7.7%,振荡管的频率可调范围约为2.7 GHz。     

Investigation of a Broadband Quasi-Optical Mode Converter for a Multi-Frequency 1 MW Gyrotron

A broadband quasi-optical (QO) mode converter for a multi-frequency gyrotron has been designed and tested at Forschungszentrum Karlsruhe (FZK). The launcher is optimized for the TE_22,8 mode at 140 GHz, but the radiated beams present an almost identically focused pattern for all 9 considered modes between 105 GHz (TE_17,6) and 143 GHz (TE_23,8). Combining with a beam-forming mirror system, which consists of a quasi-elliptical mirror and two phase-correcting mirrors with non-quadratic surface contour, further calculations show that efficiencies of more than 94% have been achieved for converting the rotating high-order cylindrical cavity modes into the usable fundamental Gaussian mode. Low power (cold) measurements show a good agreement with theoretical predictions. This QO mode converter can be used for the broadband operation of a multi-frequency 1 MW gyrotron.     

高斯镜平凸非稳腔本征模场的有限元数值计算

为了研究激光在高斯镜平凸非稳腔中的模式和相位特征,在SIEGMAN分析多元件非稳腔的理论基础上,采用有限元数值方法计算耦合输出镜镜面反射率为高斯分布的圆镜平凸非稳腔本征模场分布。将光场在腔内一次往返的ABCD系数代入惠更斯-基尔霍夫衍射积分方程,可以写出光场往返一次的衍射积分方程。将镜面分割成若干个等宽圆环,把衍射积分方程转化成矩阵相乘形式,经过数值计算,得到理想空腔和非共轴空腔优先起振的光场本征模式分布结果与相位特性。计算结果表明,当合适选择输出镜半径与高斯反射率分布,可以得到光斑半径为0.3cm的基模高斯光束输出,此计算结果与实验结果相符。同时也讨论了耦合输出镜对光束质量的影响。