光纤激光器的特点与应用
光纤激光器是在EDFA技术基础上发展起来的技术。近年来，随着光纤通信系统的极大的应用和发展，超快速光电子学、非线性光学、光传感等各种领域应用的研究已得到日益重视。光纤激光器在降低阂值、振荡波长范围、波长可调谐性能等方面，已明显取得进步。它是目前光通信领域的新兴技术，它可以用于现有的通信系统，使之支持更高的传输速度，是未来高码率密集波分复用系统和未来相干光通信的基础。
1.光纤激光器工作原理
光纤激光器主要由三部分组成:由能产生光子的增益介质、使光子得到反馈并在增益介质中进行谐振放大的光学谐振腔和可使激光介质处于受激状态的泵浦源装置。光纤激光器的基本结构如图1所示。
掺稀土元素的光纤放大器推动了光纤激光器的发展，因为光纤放大器可以通过适当的反馈机理形成光纤激光器。当泵浦光通过光纤中的稀土离子时，就会被稀土离子所吸收，这时吸收光子能量的稀土原子电子就会激励到较高激射能级，从而实现离子数反转。反转后的离子数就会以辐射形式从高能级转移到基态，并且释放出能量，完成受激辐射。从激发态到基态的辐射方式有两种，即自发辐射和受激辐射，其中受激辐射是一种同频率、同相位的辐射，可以形成相干性很好的激光。激光发射是受激辐射远远超过自发辐射的物理过程，为了使这种过程持续发生，必须形成离子数反转，因此要求参与过程的能级应超过两个，同时还要有泵浦源提供能量。光纤激光器实际上也可以称为是一个波长转化器，通过它可以将泵浦波长光转化为所需的激射波长光。例如掺饵光纤激光器将980nm的泵浦光进行泵浦，输出1550nm的激光。激光的输出可以是连续的，也可以是脉冲形式的。
光纤激光器有两种激射状态，三能级和四能级激射。三能级和四能级的激光原理如图2所示，泵浦(短波长高能光子)使电子从基态跃迁到高能态E4或者E3，然后通过非辐射方式跃迁过程跃迁到激光上能级E43或者E3 2，当电子进一步从激光上能级跃迁到下能级E扩或者E3，时，就会出现激光的过程。
激光的产生及应用
激光的产生:原子的能级结构是发光现象的物质基础，激光的产生，不外乎通过以下几个过程和步骤：一般原子系统中，绝大多数的原子不是处于低能级的基态，而是处于高能级的激发状态的原子数目，相比之下是非常少的。例如：在室温（27～28℃）的情况下，红宝石晶体中处于基态的铬离子数目为激发态的1030倍，因此，红宝石铬离子基本上是处于基态的。如果要使这些处于基态的粒子产生辐射作用，首先必须把这些基态上的粒子激发到高能级去，从低能级到高级去的这一过程称为激发或抽运。这个吸收能量的过程，称做光的受激吸收。激发的方法很多，主要是给基态粒子外加一定能量。化学激发器是用分解或化合的方法作为激发能源。由于原子内部结构的不同，在相同的外界条件下，原子从基态被激发到各个高能级去的可能性是不一致的。通常把原子从基态激发到某一能级上去的可能性，叫做该能级的“激发机率”。各能级的激发机率是不同的，有的很大，有的很小，这种机率取决于物质自身的性质。原子（或分子、离子）总是力图使自己的能量状态处于基态上，被激发到高能级后的粒子，力图回到基态上去，与此同时放出激发时所吸收的能量。基态是粒子能量最平衡最稳定的状态，从高级回到低能级去的过程称为跃迁，跃迁时释放的能量即辐射。在跃迁过程中，辐射出两个同样的光子，这两个同样的光子又去激励其它激发原子发生受激跃迁，因而又获得4个同样的光子。如此反应下去，在很短的时间内，辐射出来大量同模样、同性能的光子，这个过程称为“雪崩”。入射光也能引起处于高能级的原子发生受激辐射。从共振腔中持续发出来的、特征完全相同的大量光子就是激光。激光所以具有良好的单色性、方向性以及较高的亮度，主要是取决于光学共振腔的作用。于工作物质的两端加上两快相互平行的反光镜，其中一块是全反射镜，另一块是半反射镜，这就是光学共振腔的主要结构。在光学共振腔中的活性物质，受到外加能量的激励而产生的光子可以射向各个方向，但其中传播方向与反射镜垂直者，则在介质中来回反射振荡。在反射振荡的过程中，引发介质中其它活性物质点受激辐射，因此这种辐射的强度越来越大。
激光的发射原理及产生过程的特殊性决定了激光具有普通光所不具有的特点：即三好（单色性好、相干性好、方向性好）一高（亮度高）。
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单色性好：普通光源发射的光子，在频率上是各不相同的，所以包含有各种颜色。而激光发射的各个光子频率相同，因此激光是最好的单色光源。
由于光的生物效应强烈地依赖于光的波长，使得激光的单色性在临床选择性治疗上获得重要应用。此外，激光的单色特性在光谱技术及光学测量中也得到广泛应用，已成为基础医学研究与临床诊断的重要手段。
2 相干性好：由于受激辐射的光子在相位上是一致的，再加之谐振腔的选模作用，使激光束横截面上各点间有固定的相位关系，所以激光的空间相干性很好（由自发辐射产生的普通光是非相干光）。激光为我们提供了最好的相干光源。正是由于激光器的问世，才促使相干技术获得飞跃发展，全息技术才得以实现。
3 方向性好：激光束的发散角很小，几乎是一平行的光线，激光照射到月球上形成的光斑直径仅有1公里左右。而普通光源发出的光射向四面八方，为了将普通光沿某个方向集中起来常使用聚光装置，但即便是最好的探照灯，如将其光投射到月球上，光斑直径将扩大到1 000公里以上。
激光束的方向性好这一特性在医学上的应用主要是激光能量能在空间高度集中，从而可将激光束制成激光手术刀。另外，由几何光学可知，平行性越好的光束经聚焦得到的焦斑尺寸越小，再加之激光单色性好，经聚焦后无色散像差，使光斑尺寸进一步缩小，可达微米级以下，甚至可用作切割细胞或分子的精细的“手术刀”。
4 亮度高：激光的亮度可比普通光源高出1012－1019倍，是目前最亮的光源，强激光甚至可产生上亿度的高温。激光的高能量是保证激光临床治疗有效的最可贵的基本特性之一。利用激光的高能量还可使激光应用于激光加工工业及国防事业等。
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超声波探伤 编辑
超声波探伤是利用超声能透入金属材料的深处，并由一截面进入另一截面时，在界面边缘发生反射的特点来检查零件缺陷的一种方法，当超声波束自零件表面由探头通至金属内部，遇到缺陷与零件底面时就分别发生反射波，在荧光屏上形成脉冲波形，根据这些脉冲波形来判断缺陷位置和大小。
研究与探讨Research & Discussion
2018·3（下） 军民两用技术与产品 1791 前言随着风电规模的扩大，风电并网带来的稳定性问题越来越值得关注。风电并网会减小系统的惯量，并在一定程度上恶化系统的固有阻尼，尤其是大容量风电场经远距离输电线路接入电网时，其引起的低频振荡问题不容忽视。随着电力电子技术的发展，变速恒频风机在近年来得到了广泛的应用。目前，大型风电场的风力发电机组主要采用双馈感应发电机（doubly-fedinductiongenerator，DFIG）。双馈风电机组能够独立控制发出的有功功率和无功功率，这使得利用风电场自身的附加控制提高电力系统稳定性成为了可能。目前，已有部分学者对利用DFIG抑制电力系统低频振荡进行了研究。根据暂态能量函数的衰减推导了调节双馈风电机组有功功率和无功功率输出，抑制区间低频振荡的控制规律，并据此采用模糊控制设计了阻尼控制器。由于风电场是一个惯量很弱的电力系统，风速变化和电力系统频繁扰动使得以上方法难以实现预期的控制效果。为保证附加控制器应对外界扰动的稳定性，本文采用基于区域极点配置技术的鲁棒控制理论设计DFIG附加阻尼控制器，能有效消除外界扰动对控制器性能的影响。在控制器的设计中，同时考虑使控制代价尽量小的H2性能指标和对扰动具有强鲁棒性的H∞性能指标，使控制器能够达到综合性能最优。通过控制DFIG输出到交流系统的无功功率来提升系统的阻尼，具有不影响风电场有功功率稳定输出的优点。仿真验证表明本文控制方法能有效抑制低频振荡，对不同类型的故障均表现出很好的阻尼性能，具有很强的鲁棒性。2 DFIG附加鲁棒阻尼控制策略2.1 控制回路选取双馈风电机组可以通过转子侧变换器控制实现双馈风电机组输出有功功率和无功功率的独立控制，因此选用恰当的反馈信号经控制器后附加到DFIG转子侧变换器的有功或无功控制环可以达到提高系统阻尼的目的。转子侧变换器控制系统如图1所示。图1 转子侧变换器控制原理图1中：Ps、Pref分别为有功功率测量值、参考值；Qs、Qref、Qmod分别为无功功率测量值、参考值、附加控制量；idr、iqr分别为转子电流d轴和q轴分量；ids、iqs分别为定子电流d轴和q轴分量；udr、uqr分别为转子侧d轴电压和q轴电压参考值；Kp1、Kp2、Kp3、Kp4分别为各PI环节的比例系数；Ki1、Ki2、Ki3、Ki4分别为各PI环节的积分增益系数；Lr和Lm分别为定子自感和转子互感；ωs和ωgen分别为同步转速和发电机转速。采用有功附加控制在相同的调制量下对风电机组输出容量的影响较无功控制更大，而且有功调制会使风电机组轴系扭矩产生较大的波动，无功调制则存在这样的问题，因此本文采用无功调制进行阻尼控制。当利用DFIG进行区间低频振荡阻尼控制时，可以选择两区域交流输电线上的振荡功率ΔPac、两区域发电机间的转速差Δω或两区域发电机间的功角差Δδ等作为控制器的输入信号。然而，转速差Δω和功角差Δδ这2个信号均不是本地信号，获取较为困难，若采用广域测量系获得这2个信号，不仅增加了控制成本，还需要考虑时滞的影响，使控制器的设计变得复杂。因此，本文以两区域交流输电线上的振荡功率ΔPac作为控制器输入信号。2.2 鲁棒阻尼控制器求解附加阻尼控制器不仅应在正常情况下具有控制效果，还应具有抑制外界扰动和适应不同运行方式的能力。为此，本文采用基于区域极点配置的方法设计附加阻尼控制器，并在控制器设计中考虑了H2和H∞性能指标的限制，具体的控制器设计步骤如下详述。（1）系统模型辨识。以转子侧变频器无功功率设定值为输入，以交流线路上的振荡功率为输出，采用辨识算法对系统进行辨识，得到相应的传递函数模型G（s）。（2）权函数设置。由于控制器输入信号为交流线路上的振荡功率，因此需要加入隔直环节滤除掉输入信号的直流分量，隔直环节时间常数Tw取典型值10s。为防止过大的控制器输出引起转子电压超调，在控制器输出时设置了10%的限幅。给定权函数，设置满足系统阻尼比大于20%的极点配置区域，将H∞性能指标上界γ0和H2性能指标（3）根据阻尼比目标设定极点配置区域，设置H2和H∞性能权重指标，采用MATLABLMI工具箱求解控制器K（s）。3 算例分析为验证本文DFIG附加鲁棒控制器的控制性能，本文在PSCAD软件中搭建了接入大型双馈风电场的两区域系统进行仿真验证，如图2所示。图2 含双馈风电场的两区域电力系统系统中4台同步发电机和线路参数见文献。励磁方式为DC1A型直流励磁。左侧系统通过交流线路向右侧系统输送400MW有功功率。风电场总发电功率为200MW，由40台5MW的双馈风电机组构成。在本文中，假设所有风电机组运行状态相同，风电场用1台风机进行等值。3.1 控制器设计通过TLS-ESPＲIT算法对系统进行辨识，得到系统的振荡（下转177页）摘 要 针对大规模风电场接入电力系统面临的低频振荡问题，提出了一种双馈风电机组（doubly-fedinductiongenerator，DFIG）附加鲁棒控制策略，通过控制双馈风电机组的转子侧无功输出向系统注入无功功率以达到提升系统阻尼的目的。首先采用TLS-ESPＲIT辨识算法辨识出系统模型，然后采用基于区域极点配置的鲁棒控制理论设计附加阻尼控制器。为对所提控制方法相比于传统控制方法的优势，设计了基于极点配置的阻尼控制器。最后在PSCAD软件中搭建含风电的两区域模型验证所提控制方法的有效性。仿真结果表明DFIG附加鲁棒控制器能有效抑制电力系统低频振荡，具有较好的鲁棒性。关键词 双馈风电机组（DFIG）；低频振荡；阻尼控制；
