激光二极管触发光导开关的多路同步关键技术研究

The photoconductive semiconductor switch (PCSS) is a new kind of switch combined with ultra-fast pulse laser and photoconductor techniques. On the basis of these outstanding characteristics, PCSS has a promising future in the fields of ultra-fast electronics, high power microwave, medical dielectric wall accelerator, etc. Since great synchronization is the general condition of many precision physical experiments, the synchronization among multi-PCSSs has become one of the main obstacles. There are many factors, however, which have effect on the synchronization, including differences existing in PCSSs, trigger laser pulses and circuits. In this paper, a new kind of high power laser diode will be used to improve the performance of PCSS. On the basis of experiments of single PCSS, a theoretical model of multi-PCSSs triggered synchronously will be built. Combining with theoretical model and experiments, the synchronization among multi-PCSSs will be less than one nanosecond.

光导开关是利用超快激光脉冲与光导半导体相结合形成的一种新型固体开关,由于其优良的特性,在医用介质壁加速器、高功率微波、超短超快电脉冲等众多领域有着良好的应用前景。但诸如闪光照相等许多精密物理实验是以高同步性的开关系统为前提进行的，因此，光导开关目前存在的多路同步问题已经成为了限制其应用的主要因素之一。而影响高压光导开关多路导通同步性的因素，包括光导开关性能差异、触发激光脉冲参数差异、电路参数差异等。本申请提出研制新型大功率激光二极管，在研究大量单个光导开关导通性能的基础上，建立起多路光导开关同步导通理论模型，通过实验与理论模型的相互修正，实现多个基于激光二极管的高压砷化镓光导开关亚ns级同步，同时根据理论模型获得基于激光二极管的高压砷化镓光导开关实现亚ns级同步的有关条件。

与传统开关相比，砷化镓光导开关具有结构简单、功率容量大、响应速度快、抖动小、光电隔离等众多优点。在紧凑型脉冲功率技术、光通信、冲击雷达、THz技术、超快电子学和瞬态电磁技术等领域都有着良好的应用前景。但目前国内外普遍采用的利用大功率激光器触发单个光导开关的方式，使光导开关驱动装置的成本高、体积大，极大地制约了多路砷化镓光导开关的同步应用。.在国家自然科学基金的资助下，本项目开展了激光二极管触发光导开关的多路同步关键技术研究，完成了项目计划书的研究内容，达到了项目计划书的研究目的。主要完成了以下研究工作：1、完成了砷化镓光导开关和大功率激光二极管这两种关键器件的研制，搭建了砷化镓光导开关导通特性研究平台，研究了激光能量、偏置电压等多种因素对砷化镓光导开关导通电阻、抖动等导通特性的影响规律；2、建立了多路光导开关同步导通工作的电路仿真模型，分析了开关抖动对输出电压波形和过电压系数的影响；3、建立了基于多级层叠Blumlein脉冲形成线结构的多路光导开关同步导通实验装置，实现了多个基于激光二极管的高压砷化镓光导开关之间的亚纳秒级同步。.通过该项目的研究，培养了本团队参研人员的创新思维方式和科研方法，实现了青年科研人员个人能力的快速提升。