种子注入的短脉冲激光器特性研究

　第16卷　第6期强激光与粒子束Vol.16,No.6 2004年6月HIGH POWER LASER AND PAR TICL E B EAMS J un.,2004　

文章编号:100124322(2004)0620712205

种子注入的短脉冲激光器特性研究Ξ

赵　卫1,　王　涛1,　朱少岚1,　杨延龙1,　朱宝亮2,

王屹山1,　陈国夫1,　程　昭1,　刘　丽2

(1.中国科学院西安光学精密机械研究所,瞬态光学技术国家重点实验室,陕西西安710068;

2.北京理工大学光电技术系,北京100081)

摘　要:　从LD泵浦固体激光器优化设计原则出发,设计了一种微型二极管泵浦激光器,并对种子激光

器的结构和参数进行了优化。该激光器运转稳定,输出光束质量高,光束发散角小,光2光转化效率为1714%,

斜率效率可达24%,输出功率可达80mW。将此种子激光注入到调Q激光器中,改善了调Q激光器的输出特

性,使得激光脉冲的建立时间缩短了40ns,输出的横模场分布得到了明显改善。

关键词:　种子注入;　调Q激光器;　微型激光器

中图分类号:TN242 文献标识码:A

高功率、高质量光束的短脉冲激光光源在相干检测、激光雷达、光化学、光诱导以及等离子体物理等方面有许多应用。普通高功率激光器,由于激光增益较高而产生的多模(横模、纵模)振荡,空间烧孔效应,热致透镜效应和双折射效应,都会不同程度降低输出光束质量[1]。注入锁定技术是获得高质量、高功率激光输出的一种简单有效的方法[2～7],可以有效地控制激光的时间特性、空间特性和方向性等。在该技术中,性能优良的种子激光是实现注入锁定的关键因素之一[8]。由于LD泵浦薄片激光器可获得很好的基横模分布,且体积小,结构紧凑,总体转换效率高[9～11],因而我们选用了LD泵浦薄片激光器作为种子激光器,并对这种种子注入的短脉冲激光器进行了优化设计和实验研究。

1　系统构成及实验研究

实验系统主要由四部分组成,即种子激光器、耦合系统、功率振荡器和测量装置,如图1所示。

Fig.1　Experiment scheme of seed injection

图1　种子激光注入实验光路图

1.1　种子激光器的输出特性

实验中Nd:YVO4晶体与凹面镜放置在同一个调整架上,与激光二极管固定在同一个平台上。通过调节凹面镜的中心位置和俯仰角来改变激光空间模式特性,由此获得基横模输出。旋转Nd:YVO4晶体,种子激光输出将发生变化。在某个位置,最大输出功率可达80mW,由晶体性质可以确定为π偏振光。将LD温度设定在

Ξ收稿日期:2003203225;　修订日期:2003212204

基金项目:国家自然科学基金资助课题(60078004)

作者简介:赵　卫(1963—),男,研究员,主要从事超快光学技术研究;西安市80号信箱25分箱。

25℃,实际温度波动小于0.4℃。由实际输入输出曲线计算,得到种子激光器阈值为98mW ,光2光转换效率为17.4%,斜率效率为24%[8]。

使用红外探测卡,可以直观地观察到激光的空间模式分布。微调俯仰角,种子激光的场分布发生相应变化,由清晰的多模向基模过渡,最终得到亮度较高,光斑对称,光强分布均匀的基横模种子激光。用CCD 相机记录种子激光的场分布,然后做图像处理,得到了其横向光斑分布和光强分布,如图2、图3所示

。

Fig.2　Laser field of seed laser 图2　种子激光器光斑Fig.3　Intensity profile of seed laser

图3　种子激光器光强分布

很明显,光强的空间分布基本对称,且只有一个极大值,说明场分布为基横模。实验结果表明,对此微型种子激光器的优化设计获得了较好的空间分布(基横模)和高的斜率效率(24%),同时具有较高的输出功率(80mW ),满足种子激光器的要求。

1.2　模式匹配的分析和设计

种子注入的模式匹配主要考虑的是横模匹配。如果基横模场不匹配将会降低基横模本征模式耦合效率,从而影响基横模的质量;对于能量的传输,高级本征模式往往具有较大的传输损耗,不匹配将造成能量的损耗;另外,由于激光是在微弱的自发辐射噪声的基础上增长起来的,而种子注入信号强度比噪声场强度大得多,所以模式匹配的好坏将会影响到腔内种子光分布及强度,对功率激光器脉冲建立的时间特性也会有很大的影响。所以有必要对模式匹配进行分析,以便优化系统参数。在两光束束腰的纵向和横向位置及传输方向相同的情况下,基横模耦合系数为[1]

C ω=2πω10ω20∫2π0∫

∞0exp (-ρ2ω210-ρ2ω220)ρd ρd φ(1)式中:ω10,ω20分别为种子激光器与功率振荡器的束腰半径,积分后可得

C ω=2ω10ω20/(ω210+ω220)(2)

当ω10=ω20且C ω=1时,种子激光器能量全部耦合到功率振荡器的基横模中,种子激光系统与功率振荡器横模实现匹配。

Fig.4　Sketch of mode matching system 图4　实验系统模式匹配的光路示意图 实验系统中,种子激光器和功率振荡器均采用

平凹腔结构,如图1所示。种子激光器的束腰在

Nd :YVO 4薄片的端面上,功率振荡器的束腰则在

平面镜上。为了使两个基模匹配,在两个激光器之

间加入一焦距为f 的薄透镜,使种子激光器基模的

高斯光束经过变换后,其束腰半径位于功率振荡器

的平面镜上,即ω′1=ω20,即满足模式匹配的要求,

此时功率振荡器的基横模增益最大,高阶模被抑制。

模式匹配时,透镜的位置是固定的。如图4所

示,假设两个参考面上的高斯光束参数用q 1和q 2

表示,而该两个平面间的变换矩阵为A B C D

,根据AB CD 定律q 2=(q 1A +B )/(q 1C +D )(3)以及q 1=l 1+i Z 01=l 1+i πω201/λ,　q 2=-l 2+i Z 02=-l 2+i πω202/λ(4)317第6期 赵　卫等:种子注入的短脉冲激光器特性研究

经透镜变换后有

1q 2=1q 1-1f (5)联立方程(3)～(5)可得

f 2-Z 01Z 02=(l 1-f )(l 2-f )

(l 1-f )Z 02=(l 2-f )Z

01(6)

解此方程组,得

l 1=f ±(ω1/ω2)f 2-f 20l 2=f ±(ω2/ω1)f

2-f 20(7)

式中:f 0=π

ω01ω02/λ。所以当ω01和ω02确定后,l 1和l 2有无穷多组解,按实际情况只需选定其中一个参数,就可以求得另外两个参数。取f =250mm ,由方程(7)得到l 1=248.58mm ,l 2=1012.934mm 。实验中,种子激光器与高功率振荡器的模式匹配按此数据设计。

2　种子注入的功率振荡器输出特性实验

2.1　光路调节

实验中当种子光输出功率最大时,其π偏振方向就相应地确定了,此时需调节P 1,使P 1与种子光偏振方向一致,保证种子光以最大功率注入。实验光路调节方法为:先调节法拉第隔离器,确保其各反射面的光斑与准直光斑重合;其次要旋转P 2,使P 1与P 2的偏振方向成45°角,确保准直光无法反向通过P 1,只有当准直光无法向左(见图1)通过时,才可进行种子注入光的调整;从P 1或P 2处接收准直光斑,并将其调整重合;最后将种子光注入,利用红外探测卡再次在P 1或P 2处接受种子光斑和Q 脉冲光斑,微调腔镜,使两个光斑完全重合,确保Q 脉冲无法反向通过P 1注入到种子激光器。

2.2　种子注入对时域的影响

注入的种子光一般会影响振荡光的空间模式分布、时间特性和频率特性。实验中,将Q 开关的触发(退压)信号和激光信号同步触发数字示波器,便可记录下种子注入前后Q 开关触发信号与光信号波形的时间差异。Q 开关触发信号为1000V 。在Q 触发信号附近的空间,我们采用示波器探头感应接受触发的电磁波,由于仅关心触发信号的前沿,

所以可不考虑其后的感应振荡。记录的时域波形如图5所示。

Fig.5　Setup time of laser pulse at 350V

图5　泵浦电压为350V 下种子注入前、后脉冲的建立时间

种子注入前激光脉冲的建立时间为210ns ,注入后为170ns ,激光脉冲建立时间缩短了40ns 。为了排除干扰,我们进行了几十次测量,得到的结果一致。脉冲建立时间较注入前有明显地缩短,可见注入激光对Q 脉冲产生了作用。由于注入前初始激光在相对很弱的自发辐射噪声中建立,脉冲建立时间较长,而注入后较强的种子光成为激光建立的初始光场,因而建立时间较短。

提高泵浦能量,即增加了初始自发辐射噪声的强度,实验中,我们发现激光的脉冲建立时间也变短。提高泵浦电压后,通过与种子注入前、后脉冲建立时间的比较,由图6可以看出,泵浦电压在450V 时,种子注入前后脉冲建立时间基本不变;而泵浦电压在350V 时,种子注入前、后脉冲建立时间明显缩短了40ns 。可见提高功率振荡器泵浦电压后,注入种子的作用减弱。

2.3　对空间模式的影响

用CCD 图像采集系统检测功率振荡器输出的光场分布,结果如图7所示。可以看出,种子注入光明显改善了振荡光的模式特性,振荡光强度分布的对称性、均匀性好于注入种子前,因此注入种子能明显改善高功率振荡光的空间分布。

417强激光与粒子束 第16卷

Fig.6　Setup time of laser pulse at 450V

图6　泵浦电压为450V 下种子注入前、

后脉冲的建立时间

Fig.7　Comparison of laser field

图7　种子注入前后光斑对比。(a )种子光分布,(b )注入前振荡光分布,(c )注入后振荡光分布

对比种子光与种子注入前、后光斑基横模的变化,可以看出,种子光对振荡光的模式有所改善,功率振荡器的输出场的强度分布与种子激光的强度分布很相似,可见种子注入后振荡光以种子光的场分布建立振荡,这也正是种子注入的特点。

3　分析与结论

种子激光的功率、振荡光的泵浦能量、变换透镜的位置对种子注入的作用有重要的影响。当改变种子激光器的输出功率时,功率振荡器的输出特性也将发生变化。将LD 电流由700mA 增加为850mA ,种子注入的作用加强,种子注入后振荡器激光的脉冲建立时间缩短了约10ns 。由于激光二极管的工作电流最低为700mA ,仍有种子注入作用,所以我们无法实验测得最低种子注入阈值。

当功率振荡器的泵浦能量提高后,通过种子注入前后脉冲建立时间的比较可以看出,泵浦电压在350V 时,种子注入前后脉冲建立时间缩短了40ns ;泵浦电压在450V 时,种子注入前后激光脉冲建立时间基本不变。可见提高功率振荡器泵浦电压后,注入种子的作用减弱。

Fig.8　Pulse shape before and after injection

图8　种子注入前、后脉冲形状对比

变换透镜的主要作用是匹配种子光与振荡光模式。实验中,当没有透镜时,脉冲建立时间为140ns ,用透镜匹配时,脉冲建立时间缩短了30ns 。可见,模式匹配对于种子注入效率有明显的影响。这是因为在模式匹配时,种子光的场分布完全位于基模体积以内,此时基模的增益最大,高功率脉冲的模式特性得到改善,趋向于基横模分布。

另外,种子注入前、后,激光脉冲波形有较大的

变化,如图8所示。种子注入前,脉冲并不很光滑,

而是出现小的调制;当种子激光注入后,在同样条件

下,脉冲波形较为光滑。这是因为种子注入用的微

型激光器,其腔长非常短,造成种子激光器的纵模数

较少,当种子激光注入到功率振荡器后,它不但可控

制功率振荡器的时域、空间域特性,而且还控制功率

振荡器的频域特性,即功率振荡器振荡模式受种子

激光束的影响,在功率振荡器中的纵模数较少,脉冲

波形较注入前光滑。所以种子注入改善了功率振荡5

17第6期 赵　卫等:种子注入的短脉冲激光器特性研究

617强激光与粒子束 第16卷器的时域、空间域甚至频域特性,是获得高光束质量输出的一种有效的方法。

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Characteristic of injection2seeding Q2switch laser

ZHAO Wei1,　WAN G Tao1,　ZHU Shao2lan1,　Y AN G Y an2long1,　ZHU Bao2liang2,

WAN G Y i2shan1,　CHEN Guo2fu1,　CHEN G Zhao1,　L IU Li2

(1.S tate Key L aboratory of T ransient Optics Technology,Xi’an Institute of Optics and Precision Mechanics,

P.O.Box80225,Xi’an710068,China;

2.School of Opto2Elect rics Technology,Beijing U niversity of Technology,Beijing100081,China)

Abstract:　According to the optimization principle for diode2pumped laser,one kind of mini diode2pumped laser for seed2injection is https://www.wendangku.net/doc/5715716495.html,ing the numerical method,the optimized design is presented laser gain media,coupling system and resonant cavity.The seed laser beam from mini diode2pumped laser was injected into Q2switched laser and output characteristics of Q2switched laser were studied.The experiment results show that this laser is stable,with high beam quality and small light beam divergence.The light2light efficiency is17.4%and slope efficiency is24%.The output power of this laser is about80mW.The buildu p time of laser pulse in power oscillator decreases by40ns and the injected2seed laser field improve the distribution of output laser field.

K ey w ords:　Seed2injection;　Q2switch laser;　Diode2pumped mini laser

2.1 脉冲基础知识和二极管的开关特性

第 6章 脉冲基础知识和反相器 2.1 脉冲基础知识和二极管的开关特性 1．了解脉冲的基本概念、常见波形和矩形脉冲信号的主要参数。 2．理解二极管的开关特性。 4．掌握二极管工作状态的判断。 一、脉冲的概念及波形 1．脉冲的概念 脉冲技术是电子技术的重要组成部分，应用广泛。 脉冲：含有瞬间突然变化、作用时间极短的电压或电流称为脉冲信号，简称为脉冲。 2．常见的几种脉冲波形如图6-1-1所示。

电子技术学习指导与巩固练习 2 图6-1-1常见脉冲波形 3．特点：（1）可以是周期性的、非周期性的或单次的。 （2）有正脉冲、负脉冲之分。 （3）各种脉冲的共同点：突变性、间断性、阶段性。 二、矩形脉冲波的主要参数 1．矩形脉冲波的主要参数 脉冲技术最常用的波形是矩形波、方波。 理想的矩形波如图6-1-2所示：上升沿、下降沿陡直；顶部平坦。 图6-1-2 理想的矩形波波形 图6-1-3 实际的矩形波波形 实际的矩形波波形如图6-1-3所示。 主要参数： (1) 幅度V m ——脉冲电压变化的最大值。 (2) 上升时间t r ——脉冲从幅度的10% 处上升到幅度的90%处所需时间。 (3) 下降时间t f ——脉冲从幅度的90% 处下降到幅度的10%处所需的时间。 (4) 脉冲宽度t p —— 定义为前沿和后沿幅度为50%处的宽度。 (5) 脉冲周期T —— 对周期性脉冲，相邻两脉冲波对应点间相隔的时间。周期的倒数为脉冲的频率f ，即 T f 1= 2．矩形波的分解 矩形波可由基波和多次谐波叠加而成。基波的频率与矩形波相同，谐波的频率为基波的整数倍。矩形波的数学表达式为 +++=)5sin(5 )3sin(3)sin(000t A t A t A v ωωω 三、二极管的开关特性

周期矩形脉冲的分解与合成

周期矩形脉冲的分解与合成

本科实验报告 实验名称：周期矩形脉冲的分解与合成

一、实验目的和要求 ? 进一步了解波形分解与合成原理。 ? 进一步掌握用傅里叶级数进行谐波分析的方法。 ? 分析典型的矩形脉冲信号，了解矩形脉冲信号谐波分量的构成。 ? 观察矩形脉冲信号通过多个数字滤波器后，分解出各谐波分量的情况。 ? 观察相位对波形合成中的作用。 二、实验内容和原理 2.1 信号的时域特性与频域特性 时域特性和频域特性是信号的两种不同的描述方式。一个时域上的周期信号，只要满足荻里赫勒(Dirichlet)条件，就可以将其展开成三角形式或指数形式的傅里叶级数。由于三角形式的傅里叶级数物理含义比较明确，所以本实验利用三角形式实现对周期信号的分解。 一个周期为T 的时域周期信号()x t ，可以在任意00(,)t t T +区间，精确分解为以下三角形式傅里叶级数，即 0001()(cos sin ) k k k x t a a k t b k t ωω∞ ==++∑ 2.2 矩形脉冲信号的幅度谱 一般利用指数形式的傅里叶级数计算周期信号的幅度谱。 0()jk t k k x t X e ω∞ =-∞ = ∑ （3） 式中0/2 /2 1()T jk t k T X x t e dt T ω--= ? 。计算出指数形式的复振幅k X 后，再利用单边幅 度谱和双边幅度谱的关系：0 2,0 ,0k k X k C X k ?≠?=?=??，即可求出第k 次谐波对应的振

幅。 内容： （1）方波信号的分解。调整“信号源及频率计模块”各主要器件，通过TP1~TP8观察500Hz方波信号的各次谐波，并记录各次谐波的峰峰值。 （2）矩形波信号的分解。将矩形脉冲信号的占空比变为25%，再通过TP1~TP8观察500Hz矩形脉冲信号的各次谐波，并记录各次谐波的峰峰值。 （3）方波的合成。将矩形脉冲信号的占空比再变为50%，通过调节8位拨码开关，观察不同组合的方波信号各次谐波的合成情况，并记录实验结果。 （4）相位对矩形波合成的影响。将SW1调节到“0110”，通过调节8位拨码开关，观察不同组合的方波信号各次谐波的合成情况，并记录实验结果。 三、实验项目 周期矩形脉冲的分解与合成 四、实验器材 信号与系统实验箱一台 双踪示波器一台 五、实验步骤 5.1 方波信号的分解 ①连接“信号源与频率计模块”的模拟输出端口P2与“数字信号处理模块”的模拟输入端口P9； ②将“信号源及频率计模块”的模式切换开关S2置信号源方式，扫频开关S3置off，利用波形切换按钮S4产生矩形波（默认方波，即占空比为50%），利用频率调节按钮ROL1保证信号频率为500Hz； ③将“数字信号处理模块”模块的8位拨码开关调节为“00000000”； ④打开信号实验箱总电源（右侧边），打开S2、S4 两模块供电开关； ⑤用示波器分别观察测试点“TP1～TP7”输出的一次谐波至七次谐波的波形及TP8处输出的七次以上谐波的波形； ⑥根据表1，记录输入信号参数及测试结果。 5.2 矩形波信号的分解 ①按下“信号源及频率计模块”的频率调节按钮ROL1约1秒钟后，数码

测试系统的特性

第4章测试系统的特性 一般测试系统由传感器、中间变换装置和显示记录装置三部分组成。测试过程中传感器将反映被测对象特性的物理量（如压力、加速度、温度等）检出并转换为电信号，然后传输给中间变换装置；中间变换装置对电信号用硬件电路进行处理或经A/D变成数字量，再将结果以电信号或数字信号的方式传输给显示记录装置；最后由显示记录装置将测量结果显示出来，提供给观察者或其它自动控制装置。测试系统见图4-1所示。 根据测试任务复杂程度的不同，测试系统中每个环节又可由多个模块组成。例如，图4-2所示的机床轴承故障监测系统中的中间变换装置就由带通滤波器、A/D变换器和快速傅里叶变换（Fast Fourier Transform，简称FFT）分析软件三部分组成。测试系统中传感器为振动加速度计，它将机床轴承振动信号转换为电信号；带通滤波器用于滤除传感器测量信号中的高、低频干扰信号和对信号进行放大，A/D变换器用于对放大后的测量信号进行采样，将其转换为数字量；FFT分析软件则对转换后的数字信号进行快速傅里叶变换，计算出信号的频谱；最后由计算机显示器对频谱进行显示。 要实现测试，一个测试系统必须可靠、不失真。因此，本章将讨论测试系统及其输入、输出的关系，以及测试系统不失真的条件。 图4-1 测试系统简图 图4-2 轴承振动信号的测试系统

4.1 线性系统及其基本性质 机械测试的实质是研究被测机械的信号)(t x （激励）、测试系统的特性)(t h 和测试结果)(t y （响应）三者之间的关系，可用图4-3表示。 )(t x )(t y )(t h 图4-3 测试系统与输入和输出的关系 它有三个方面的含义： （1）如果输入)(t x 和输出)(t y 可测，则可以推断测试系统的特性)(t h ； （2）如果测试系统特性)(t h 已知，输出)(t y 可测，则可以推导出相应的输入)(t x ； （3）如果输入)(t x 和系统特性)(t h 已知，则可以推断或估计系统的输出)(t y 。 这里所说的测试系统，广义上是指从设备的某一激励输入（输入环节）到检测输出量的那个环节（输出环节）之间的整个系统，一般包括被测设备和测量装置两部分。所以只有首先确知测量装置的特性，才能从测量结果中正确评价被测设备的特性或运行状态。 理想的测试装置应具有单值的、确定的输入/输出关系，并且最好为线性关系。由于在静态测量中校正和补偿技术易于实现，这种线性关系不是必须的（但是希望的）；而在动态测量中，测试装置则应力求是线性系统，原因主要有两方面：一是目前对线性系统的数学处理和分析方法比较完善；二是动态测量中的非线性校正比较困难。但对许多实际的机械信号测试装置而言，不可能在很大的工作范围内全部保持线性，只能在一定的工作范围和误差允许范围内当作线性系统来处理。 线性系统输入)(t x 和输出)(t y 之间的关系可以用式（4-1）来描述 )()(...)()()()(...)()(0111101111t x b dt t dx b dt t x d b dt t x d b t y a dt t dy a dt t y d a dt t y d a m m m m m m n n n n n n ++++=++++------ （4-1） 当n a ，1-n a ，…，0a 和m b ，1-m b ，…，0b 均为常数时，式（4-1）描述的就是线性系统，也称为时不变线性系统，它有以下主要基本性质： （1）叠加性 若 )()(11t y t x →，)()(22t y t x →，则有

简支梁振动系统动态特性综合测试方法分析

目录 一、设计题目 (1) 二、设计任务 (1) 三、所需器材 (1) 四、动态特性测量 (1) 1.振动系统固有频率的测量 (1) 2.测量并验证位移、速度、加速度之间的关系 (3) 3.系统强迫振动固有频率和阻尼的测量 (6) 4.系统自由衰减振动及固有频率和阻尼比的测量 (6) 5.主动隔振的测量 (9) 6.被动隔振的测量 (13) 7.复式动力吸振器吸振实验 (18) 五、心得体会 (21) 六、参考文献 (21)

一、设计题目 简支梁振动系统动态特性综合测试方法。 二、设计任务 1.振动系统固有频率的测量。 2.测量并验证位移、速度、加速度之间的关系。 3.系统强迫振动固有频率和阻尼的测量。 4.系统自由衰减振动及固有频率和阻尼比的测量。 5.主动隔振的测量。 6.被动隔振的测量。 7.复式动力吸振器吸振实验。 三、所需器材 振动实验台、激振器、加速度传感器、速度传感器、位移传感器、力传感器、扫描信号源、动态分析仪、力锤、质量块、可调速电机、空气阻尼器、复式吸振器。 四、动态特性测量 1.振动系统固有频率的测量 （1）实验装置框图：见（图1-1） （2）实验原理： 对于振动系统测定其固有频率，常用简谐力激振，引起系统共振，从而找到系统的各阶固有频率。在激振功率输出不变的情况下，由低到高调节激振器的激振频率，通过振动曲线，我们可以观察到在某一频率下，任一振动量（位移、速度、加速度）幅值迅速增加，这就是机械振动系统的某阶固有

频率。 （图1-1实验装置图） （3）实验方法： ①安装仪器 把接触式激振器安装在支架上，调节激振器高度，让接触头对简支梁产生一定的预压力，使激振杆上的红线与激振器端面平齐为宜，把激振器的信号输入端用连接线接到DH1301扫频信号源的输出接口上。把加速度传感器粘贴在简支梁上，输出信号接到数采分析仪的振动测试通道。 ②开机 打开仪器电源，进入DAS2003数采分析软件，设置采样率，连续采集，输入传感器灵敏度、设置量程范围，在打开的窗口内选择接入信号的测量通道。清零后开始采集数据。 ③测量 打开DH1301扫频信号源的电源开关，调节输出电压，注意不要过载，手动调节输出信号的频率，从0开始调节，当简支梁产生振动，且振动量最大时（共振），保持该频率一段时间，记录下此时信号源显示的频率，即为简支梁振动固有频率。继续增大频率可得到高阶振动频率。

简述系统动态特性及其测定方法

简述系统动态特性及其测定方法 系统的特性可分为静态特性和动态特性。其中动态特性是指检测系统在被测量随时间变化的条件下输入输出关系。一般地，在所考虑的测量范围内，测试系统都可以认为是线性系统，因此就可以用一定常线性系统微分方程来描述测试系统以及和输入x (t)、输出y (t)之间的关系。 1) 微分方程：根据相应的物理定律（如牛顿定律、能量守恒定律、基尔霍夫电 路定律等），用线性常系数微分方程表示系统的输入x 与输出y 关系的数字方程式。 a i 、 b i (i=0,1,…)：系统结构特性参数，常数，系统的阶次由输出量最高微分阶次决定。 2) 通过拉普拉斯变换建立其相应的“传递函数”，该传递函数就能描述测试装 置的固有动态特性，通过傅里叶变换建立其相应的“频率响应函数”，以此来描述测试系统的特性。 定义系统传递函数H(S)为输出量与输入量的拉普拉斯变换之比，即 式中S 为复变量，即ωαj s += 传递函数是一种对系统特性的解析描述。它包含了瞬态、稳态时间响应和频率响应的全部信息。传递函数有一下几个特点： （1）H(s)描述系统本身的动态特性，而与输入量x (t)及系统的初始状态无关。 （2）H(S)是对物理系统特性的一种数学描述，而与系统的具体物理结构无关。H(S)是通过对实际的物理系统抽象成数学模型后，经过拉普拉斯变换后所得出的，所以同一传递函数可以表征具有相同传输特性的不同物理系统。 （3）H(S)中的分母取决于系统的结构，而分子则表示系统同外界之间的联系，如输入点的位置、输入方式、被测量以及测点布置情况等。分母中s 的幂次n 代表系统微分方程的阶数，如当n =1或n =2 时，分别称为一阶系统或二阶系统。 一般测试系统都是稳定系统，其分母中s 的幂次总是高于分子中s 的幂次(n>m)。

半导体激光器

半导体激光器 摘要：由于三五族化合物工艺的发展与半导体激光器的多种优点，近几十年来，半导体激光器发展十分迅速，而且在各个领域发挥着越来越重要的作用。本文将介绍半导体激光器的基本理论原理、相关发展历程、研究现状以及其广泛的应用。 1.引言 自1962 年世界上第一台半导体激光器发明问世以来, 半导体激光器发生了巨大的变化, 极大地推动了其他科学技术的发展, 被认为是二十世纪人类最伟大的发明之一[1], 近十几年来, 半导体激光器的发展更为迅速, 已成为世界上发展最快的一门激光技术[2]。激光器的结构从同质结发展成单异质结、双异质结、量子阱（单、多量子阱）等多种形式，制作方法从扩散法发展到液相外延(LPE)、气相外延(VPE)、分子束外延(MBE)、金属有机化合物气相淀积(MOCVD)、化学束外延(CBE) 以及它们的各种结合型等多种工艺[3]。由于半导体激光器的体积小、结构简单、输入能量低、寿命较长、易于调制及价格低廉等优点, 使得它目前在各个领域中应用非常广泛。 2.半导体激光器的基本理论原理 半导体激光器又称激光二极管(LD)。它的实现并不是只是一个研究工作者的或小组的功劳，事实上，半导体激光器的基本理论也是一大批科研人员共同智慧的结晶。 早在1953年，美国的冯·纽曼（John Von Neumann）在一篇未发表的手稿中第一个论述了在半导体中产生受激发射的可能性；认为可以通过向PN结中注入少数载流子来实现受激发射；计算了在两个布里渊区之间的跃迁速率。巴丁在总结了这个理论后认为，通过各种方法扰动导带电子和价带空穴的平衡浓度，致使非平衡少数载流子复合而产生光子，其辐射复合的速率可以像放大器那样，以同样频率的电磁辐射作用来提高。这应该说是激光器的最早概念。 苏联的巴索夫等对半导体激光器做出了杰出贡献，他在1958年提出了在半导体中实现粒子数反转的理论研究，并在1961年提出将载流子注入半导体PN结中实现“注入激光器”，并论证了在高度简并的PN结中实现粒子数反转的可能性，而且认为有源区周围高密度的多数载流子造成有源区边界两边的折射率有一差值，因而产生光波导效应。1961年，伯纳德和杜拉福格利用准费米能级的概念推导出了半导体有源介质中实现粒子数反转的条件，这一条件为次年半导体激光器的研制成功提供了重要理论指导。 1960年，贝尔实验室的布莱和汤姆逊提出了用半导体的平行解理面作为产生光反馈的谐振腔，为激发光提供反馈。 回顾这些理论发展历程，可以总结半导体激光器的基本理论原理：在直接带隙半导体PN结中，用注入载流子的方法实现伯纳德—杜拉福格条件所控制的粒子数反转；由高度简并的电子和空位复合所产生的受激光辐射在光学谐振腔内震荡并得到放大，最后产生相干激光输出[4]。 3.半导体激光器发展历程 在上述理论的影响下，以及1960年产生的红宝石激光器的刺激下，美国和苏

矩形脉冲信号的分解实验报告

信号与系统实验报告学院：电子信息与电气工程学院 班级: 13级电信<1>班 学号: 20131060104 姓名:李重阳

实验六 矩形脉冲信号的分解 一、实验目的 1. 分析典型的矩形脉冲信号，了解矩形脉冲信号谐波分量的构成； 2. 观察矩形脉冲信号通过多个数字滤波器后，分解出各谐波分量的情况。 二、实验原理 1. 信号的频谱与测量 信号的时域特性和频域特性是对信号的两种不同的描述方式。对于一个时域的周期信号)t (f ，只要满足狄利克莱(Dirichlet)条件，就可以将其展开成三角形式或指数形式的傅里叶级数。 例如，对于一个周期为T 的时域周期信号)t (f ，可以用三角形式的傅里叶级数求出它的各次分量，在区间)1 ,1(T t t +内表示为： )s i n c o s 1 (0 )(t n n b t n n n a a t f Ω+Ω∑∞ =+ =-----（1） 即将信号分解成直流分量及许多余弦分量和正弦分量，研究其频谱分布情况。 A A （c） 图6-1 信号的时域特性和频域特性 信号的时域特性与频域特性之间有着密切的内在联系，这种联系可以用图6-1来形象地表示。其中图6-1(a)是信号在幅度--时间--频率三维座标系统中的图形；图6-1(b)是信号在幅度--时间座标系统中的图形即波形图；把周期信号分解得到的各次谐波分量按频率的高低排列，就可以得到频谱图。反映各频率分

量幅度的频谱称为振幅频谱。图6-1(c)是信号在幅度--频率座标系统中的图形即振幅频谱图。反映各分量相位的频谱称为相位频谱。在本实验中只研究信号振幅频谱。周期信号的振幅频谱有三个性质：离散性、谐波性、收敛性。测量时利用了这些性质。从振幅频谱图上，可以直观地看出各频率分量所占的比重。测量方法有同时分析法和顺序分析法。 同时分析法的基本工作原理是利用多个滤波器，把它们的中心频率分别调到被测信号的各个频率分量上。当被测信号同时加到所有滤波器上，中心频率与信号所包含的某次谐波分量频率一致的滤波器便有输出。在被测信号发生的实际时间内可以同时测得信号所包含的各频率分量。在本实验中采用同时分析法进行频谱分析，如图6-2所示。 图6-2 用同时分析法进行频谱分析 其中，P801出来的是基频信号，即基波；P802出来的是二次谐波；P803的 是三次谐波，依此类推。 2. 矩形脉冲信号的频谱 一个幅度为E ，脉冲宽度为τ，重复周期为T 的矩形脉冲信号，如图6-3所示。 图6-3 周期性矩形脉冲信号 T

脉冲

三 RC电路的应用 1 微分电路 图3.5.1是RC微分电路（设电路处于零状态）。输入的是矩形波脉冲电压u1（图3.5.2）,在电阻R两端输出的电压为u2。设R=20 kΩ，C=100pF，u1的幅值U=6V，脉冲宽度t p=50us。由此可得电路的时间常数 τ=RC=20*103*100*10-12s=2*10-6s=2us τ《t p。 2 积分电路 微分和积分在数学上是矛盾的两个方面，同样，微分电路和积分电路也是矛盾的两个方面。虽然它们都是RC串联电路，但是，当条件不同时，所得结果也就相反。如上面所述，微分电路必须具有两个条件。如果条件变为： （1）τ》t p （2）从电容两端输出。 这样，电路就转化为积分电路了（图3.5.3a） 图3.5.3b是积分电路的输入电压u1和输出电压u2的波形。由于τ》t p，电容缓慢充电，其上的电压在整个脉冲持续时间内缓慢增长，当还未增长到趋于稳定值时，脉冲已告终止（t=t1）。以后电容经电阻缓慢放电，电容上电压也缓慢衰减。在输出端输出一个锯齿波电压。时间常数τ越大，充放电越是缓慢，所得锯齿波电压的线性也就越好。 从图3.5.3b的波形上看，u2是对 u1积分的结果。因此这种电路称为积分电路。在脉冲电路中，可应用积分电路把矩形脉冲变换为锯齿波电压，作扫描等用。四小结 五作业

课题二晶体管得开关特性教学目标：了解二极管的开关特性 教学重点：开关特性的应用 教学内容： 一二极管的开关特性 ui＝0V时，二极管截止，如同开关断开，u o＝0V。 ui＝5V时，二极管导通，如同0.7V的电压源， u o＝4.3V。

二极管的反向恢复时间限制了二极管的开关速度。 1、二极管从正向导通到截止有一个反向恢复过程 2、产生反向恢复过程的原因—电荷存储效应 当外加正向电压时，P区空穴向N扩散，N 区电子向P区扩散；势垒区逐渐变窄，P区存储了电子，N区存储了空穴，它们都是非平衡少数载流子。这一过程称为电荷存储效应。 当输入电压突然反向时，存储电荷反向电场的作用下， P区电子被拉回N区，N 区空穴被拉回P区，形成反向电流IR；或与多数载流子复合。在此期间IR基本上保持不变（IR=VR/RC），经过ts后，存储电荷显著减少，势垒区逐渐变宽，经过tt后，二极管截止。

实验二-二阶系统的动态特性与稳定性分析

实验二-二阶系统的动态特性与稳定性分析

自动控制原理 实验报告 实验名称：二阶系统的动态特性与稳定性分析班级： 姓名： 学号：

实验二二阶系统的动态特性与稳定性分析 一、实验目的 1、掌握二阶系统的电路模拟方法及其动态性能指标的测试技术过阻尼、临界阻尼、欠阻尼状态 ）对系统动态2、分析二阶系统特征参量（ξ ω， n 性能的影响； 3、分析系统参数变化对系统稳定性的影响，加深理解“线性系统稳定性至于其结构和参数有关，与外作用无关”的性质； 4、了解掌握典型三阶系统的稳定状态、临界稳定、不稳定状态； 5、学习二阶控制系统及其阶跃响应的Matlab 仿真和simulink实现方法。 二、实验内容 1、构成各二阶控制系统模拟电路，计算传递函数，明确各参数物理意义。 2、用Matlab和simulink仿真，分析其阶跃响应动态性能，得出性能指标。 3、搭建典型二阶系统，观测各个参数下的阶跃响应曲线，并记录阶跃响应曲线的超调量%σ、

峰值时间tp 以及调节时间ts ，研究其参数变化对典型二阶系统动态性能和稳定性的影响； 4、 搭建典型三阶系统，观测各个参数下的阶跃响应曲线，并记录阶跃响应曲线的超调量%σ、峰值时间tp 以及调节时间ts ，研究其参数变化对典型三阶系统动态性能和稳定性的影响； 5、 将软件仿真结果与模拟电路观测的结果做比较。 三、实验步骤 1、 二阶系统的模拟电路实现原理 将二阶系统： ωωξω2 2)(22 n n s G s s n ++= 可分解为一个比例环节，一个惯性环节和一个积分环节 ωωξω221)() ()()(2C C C C s C C 2 22 6215423 2 15423 2 2154215426316 320 n n s s s s s G s s s C R R R R R R R R R R R R C R R R R R R R R R U U n i ++= ++=++== 2、 研究特征参量ξ对二阶系统性能的影响 将二阶系统固有频率5 .12n =ω 保持不变，测试阻尼

矩形脉冲信号频谱分析

小组成员： 刘鑫 龙宇 秦元成 王帅 薛冬寒 梁琼健 一、傅里叶分析方法与过程 周期信号的分解 1、三角形式 周期为T 的周期信号，满足狄里赫利（Dirichlet ）条件（实际中遇到的所有周期信号都符合该条件），便可以展开为傅里叶级数的三角形式，即: ∑∑∞=∞ =Ω+Ω+=110s i n c o s 21 )(n n n n t n b t n a a t f （1） ?-=Ω=2 2 ,2,1cos )(2T T n dt t n t f T a n （2） ?-=Ω=2 2 ,2,1sin )(2T T n dt t n t f T b n （3） 式中： T π 2= Ω 为基波频率， n a 与 n b 为傅里叶系数。 其中 n a 为n 的偶函数， n b 为n 的奇函数。 将上式中同频率项合并可写成： ∑∞ =+Ω+=++Ω++Ω+=1022110)cos 21 ... )2cos()cos(21 )(n n n t n A A t A t A A t f ???（

式中： ) arctan(...3,2,1,2 2 0n n n n a b n b a A a A n n -==+==? (5) n n n n n n A b A a A a ??sin cos 0 0-=== (6) 2.指数形式 由于 2 cos jx jx e e x -+= (7) 三角函数形式可以写为 t jn j n n t jn j n n t n j n t n j n e e A e e A A e e A A t f n n n n Ω--∞=Ω∞=+Ω-∞ =+Ω∑∑∑++=++=????1 10)(1)(0212121] [2 1 21)( (8) 将上式第三项中的n 用-n 代换，并考虑到 为n 的偶函数， 为n 的奇函数 则上式可写为： t jn j n n t jn j n n t jn j n n t jn j n n e e A e e A A e e A e e A A t f n n n n Ω∞ --=Ω∞=Ω--∞ -=-Ω∞=∑∑∑∑++=++=-????1 1011021 212121 2121)( (9) 将上式中的0A 写成 t j j e e A Ω00 0?(其中 00 =?），则上式可写为

半导体激光器的历史状况及应用

放大器论文半导体激光器论文 半导体激光器的历史状况及应用 摘要在近几十年来,半导体激光技术得到了十分迅速的发展,在现实生活中的很多领域都有十分广泛的应用,而且在未来的生活中也会扮演着重要的角色。本文主要介绍了半导体激光器的历史现状及现实生活中的应用,以此来说明半导体激光器的重要性。 关键词半导体激光器;历史状况;运用 0 引言 激光器的结构从同质结发展成单异质结、双异质结、量子阱(单、多量子阱) 等多种形式,制作方法从扩散法发展到液相外延(LPE)、气相外延(VPE)、分子束外延(MBE)、金属有机化合物气相淀积(MOCVD)、化学束外延(CBE)以及它们的各种结合型等多种工艺[5]。半导体激光器的应用范围十分广泛,而且由于它的体积小,结构简单,输入能量低,寿命长,易于调制和价格低等优点,使它已经成为当今光电子科学的 核心技术,受到了世界各国的高度重视。 1 半导体激光器的历史 半导体激光器又称激光二极管(LD)。随着半导体物理的发展,人们早在20世纪50年代就设想发明半导体激光器。 20世纪60年代初期的半导体激光器是同质结型激光器,是一种只能以脉冲形式工作的半导体激光器。在1962年7月召开的固体器

件研究国际会议上,美国麻省理工学院林肯实验室的两名学者克耶斯(Keyes)和奎斯特(Quist)报告了砷化镓材料的光发射现象。 半导体激光器发展的第二阶段是异质结构半导体激光器,它是由两种不同带隙的半导体材料薄层,如GaAs,GaAlAs所组成的激光器。单异质结注人型激光器(SHLD),它是利用异质结提供的势垒把注入电子限制在GaAsP一N结的P区之内,以此来降低阀值电流密度的激光器。 1970年,人们又发明了激光波长为9 000?在室温下连续工作的双异质结GaAs-GaAlAs(砷化稼一稼铝砷)激光器.在半导体激光器件中,目前比较成熟、性能较好、应用较广的是具有双异质结构的电注人式GaAs二极管激光器. 从20世纪70年代末开始,半导体激光器明显向着两个方向发展,一类是以传递信息为目的的信息型激光器;另一类是以提高光功率为目的的功率型激光器。在泵浦固体激光器等应用的推动下,高功率半导体激光器(连续输出功率在100W以上,脉冲输出功率在5W以上,均可称之谓高功率半导体激光器)在20世纪90年代取得了突破性进展,其标志是半导体激光器的输出功率显著增加,国外千瓦级的高功率半导体激光器已经商品化,国内样品器件输出已达到600W。另外,还有高功率无铝激光器、红外半导体激光器和量子级联激光器等等。其中,可调谐半导体激光器是通过外加的电场、磁场、温度、压力、掺杂盆等改变激光的波长,可以很方便地对输出光束进行调制。

周期矩形脉冲的分解与合成教学内容

周期矩形脉冲的分解 与合成

本科实验报告实验名称：周期矩形脉冲的分解与合成

一、实验目的和要求 ? 进一步了解波形分解与合成原理。 ? 进一步掌握用傅里叶级数进行谐波分析的方法。 ? 分析典型的矩形脉冲信号，了解矩形脉冲信号谐波分量的构成。 ? 观察矩形脉冲信号通过多个数字滤波器后，分解出各谐波分量的情况。 ? 观察相位对波形合成中的作用。 二、实验内容和原理 2.1 信号的时域特性与频域特性 时域特性和频域特性是信号的两种不同的描述方式。一个时域上的周期信号，只要满足荻里赫勒(Dirichlet)条件，就可以将其展开成三角形式或指数形式的傅里叶级数。由于三角形式的傅里叶级数物理含义比较明确，所以本实验利用三角形式实现对周期信号的分解。 一个周期为T 的时域周期信号()x t ，可以在任意00(,)t t T +区间，精确分解为以下三角形式傅里叶级数，即 0001()(cos sin ) k k k x t a a k t b k t ωω∞ ==++∑ 2.2 矩形脉冲信号的幅度谱 一般利用指数形式的傅里叶级数计算周期信号的幅度谱。 0()jk t k k x t X e ω∞ =-∞ = ∑ （3） 式中0/2 /2 1 ()T jk t k T X x t e dt T ω--= ? 。计算出指数形式的复振幅k X 后，再利用单边幅 度谱和双边幅度谱的关系：02,0 ,0k k X k C X k ?≠?=?=??，即可求出第k 次谐波对应的 振幅。

内容： （1）方波信号的分解。调整“信号源及频率计模块”各主要器件，通过 TP1~TP8观察500Hz方波信号的各次谐波，并记录各次谐波的峰峰值。 （2）矩形波信号的分解。将矩形脉冲信号的占空比变为25%，再通过 TP1~TP8观察500Hz矩形脉冲信号的各次谐波，并记录各次谐波的峰峰值。 （3）方波的合成。将矩形脉冲信号的占空比再变为50%，通过调节8位拨码开关，观察不同组合的方波信号各次谐波的合成情况，并记录实验结果。 （4）相位对矩形波合成的影响。将SW1调节到“0110”，通过调节8位拨码开关，观察不同组合的方波信号各次谐波的合成情况，并记录实验结果。 三、实验项目 周期矩形脉冲的分解与合成 四、实验器材 信号与系统实验箱一台 双踪示波器一台 五、实验步骤 5.1 方波信号的分解 ①连接“信号源与频率计模块”的模拟输出端口P2与“数字信号处理模块”的模拟输入端口P9； ②将“信号源及频率计模块”的模式切换开关S2置信号源方式，扫频开关S3置off，利用波形切换按钮S4产生矩形波（默认方波，即占空比为50%），利用频率调节按钮ROL1保证信号频率为500Hz； ③将“数字信号处理模块”模块的8位拨码开关调节为“00000000”；

半导体激光器LD脉冲驱动电路的设计与实验

半导体激光器LD脉冲驱动电路的设计与实验 进行脉冲驱动电路的设计主要是由于，半导体激光器在脉冲驱动电路驱动时，其结温会在半导体激光器不工作的时刻进行散热，因此半导体激光器在脉冲电源驱动下，对半导体激光器的散热要求不高。在设计半导体激光器的脉冲驱动电源时，也是先仿真后设计的思想，在电路选型上也是力求简单。 1 脉冲电源的仿真 在进行脉冲电源仿真时，同样选用的NI公司的这款Multisim10这款电路仿真软件。选用的器件是IRF530，信号源是5V，占款比为50%，频率为50Hz的方波信号源；用电阻1R代替半导体激光器、且将1R的阻值设置为1Ω，用Multisim10的自带示波器对电阻1R两端的电信号进行测量。 脉冲电源仿真 在仿真电路设计的过程中，选用了功率管IRF530作为主开关，对电阻1R上的电压进行采样，信号源选取的是输出5V方波的、频率是50Hz、占款比是50%的信号源。在进行仿真前、将示波器的A通道接在电阻1R的两端，对整个电路的电流信号进行监测。将示波器的B通道接在信号源的两端，对信号源的输出

电信号进行采样，这样通过A、B两通道的电信号进行对比，看脉冲驱动电路能否满设计要求。 根据仿真示波器监测到的数据显示，电阻1R两端的电信号完全是跟信号源的电信号同步变化的，而且波形完全一致。仿真结果显示电阻1R的峰值电压是为1.145V，说明电路的峰值电流也是1.145A。 在仿真过程中，通过不断的调整信号源的特性，发现电阻1R两端的电压值的大小只与信号源的电压值大小有关系，而与信号源的频率和占空比关系不大，这说明此脉冲仿真电路输出电流值的大小只与信号源输出的电压值大小有关。出现这样的结果主要是选取的信号源的频率过低，功率管IRF530完全可以做到对电路的开断控制。 以上仿真结果显示，当信号源的峰值电压是5V的时候，所对应的流过IRF530的峰值电流是1.145A。根据IRF530的输出特性，通过调节信号源的加载在IRF530GS V的电压就可以改变功率管IRF530的输出电流值，从而改变整个脉冲电源输出电流的值。 2 脉冲电源的设计 从上面的电路仿真可以看出，脉冲电源的设计主要是脉冲信号源的设计、电路的主体部分还是用IRF530来实现的，通过控制信号源的加载在GS V的电压来控制流通IRF530的电流。要调整输出电流信号的频率得通过信号源进行控制。 图 3-25 基于单片机脉冲电源

实验二 周期矩形脉冲的分解与合成

周期矩形脉冲信号的分解与合成 一、实验目的 进一步了解波形分解与合成原理。 进一步掌握用傅里叶级数进行谐波分析的方法。 分析典型的矩形脉冲信号，了解矩形脉冲信号谐波分量的构成。 观察矩形脉冲信号通过多个数字滤波器后，分解出各谐波分量的情况。 观察相位对波形合成中的作用。 二、实验原理 2.1 信号的时域特性与频域特性 时域特性和频域特性是信号的两种不同的描述方式。一个时域上的周期信号，只要满足荻里赫勒(Dirichlet)条件，就可以将其展开成三角形式或指数形式的傅里叶级数。由于三角形式的傅里叶级数物理含义比较明确，所以本实验利用三角形式实现对周期信号的分解。 一个周期为T 的时域周期信号()x t ，可以在任意00(,)t t T +区间，精确分解为以下三角形式傅里叶级数，即 0001()(cos sin )k k k x t a a k t b k t ωω∞ ==++∑ （1） 式中，02T πω= 称为基波频率，0001()t T t a x t dt T +=?，00 02()cos t T k t a x t k tdt T ω+=?，00 t 0t 2 ()sin T k b x t k tdt T ω+= ? 。0k k a a b 、、分别代表了信号()x t 的直流分量、余弦分量和 正弦分量的振荡幅度。 将式（1）中的同频率的正余弦项合并，得到 001()cos()k k k x t c c k t ω?∞ ==++∑ （2） 其中，00c a = ，k c k k k b tg a ?-= 。0c 为周期信号的平均值，它是周期信号()x t 中包含的直流分量；当1k =时，即为101cos()c t ω?+，称此为一次谐波或基波，它的频率与基波频率相同；当2k =时，即为202cos(2)c t ω?+，称此为二次

半导体激光器调研报告

半导体激光器调研报告 班级：电科 姓名：XXX 学号：20120xxx

半导体激光器又称激光二极管，是用半导体材料作为工作物质的激光器。由于物质结构上的差异，不同种类产生激光的具体过程比较特殊。常用工作物质有砷化镓（GaAs）、硫化镉（CdS）、磷化铟(InP)、硫化锌(ZnS)等。激励方式有电注入、电子束激励和光泵浦三种形式。半导体激光器件，可分为同质结、单异质结、双异质结等几种。同质结激光器和单异质结激光器在室温时多为脉冲器件，而双异质结激光器室温时可实现连续工作。 半导体二极管激光器是最实用最重要的一类激光器。它体积小、寿命长，并可采用简单的注入电流的方式来泵浦其工作电压和电流与集成电路兼容，因而可与之单片集成。并且还可以用高达GHz的频率直接进行电流调制以获得高速调制的激光输出。由于这些优点，半导体二极管激光器在激光通信、光存储、光陀螺、激光打印、测距以及雷达等方面以及获得了广泛的应用。 仪器简介： 半导体激光器是以一定的半导体材料做工作物质而产生激光的器件。.其工作原理是通过一定的激励方式，在半导体物质的能带（导带与价带）之间，或者半导体物质的能带与杂质（受主或施主）能级之间，实现非平衡载流子的粒子数反转，当处于粒子数反转状态的大量电子与空穴复合时，便产生受激发射作用。半导体激光器的激励方式主要有三种，即电注入式，光泵式和高能电子束激励式。电注入式半导体激光器，一般是由砷化镓（GaAs）、硫化镉（CdS）、磷化铟(InP)、硫化锌(ZnS)等材料制成的半导体面结型二极管，沿正向偏压注入电流进行激励，在结平面区域产生受激发射。光泵式半导体激光器，一般用N型或P 型半导体单晶（如GaAS,InAs,InSb等）做工作物质，以其他激光器发出的激光作光泵激励.高能电子束激励式半导体激光器，一般也是用N型或者P型半导体单晶(如PbS,CdS,ZhO等)做工作物质，通过由外部注入高能电子束进行激励。在半导体激光器件中，性能较好，应用较广的是具有双异质结构的电注入式GaAs二极管激光器。 工作原理： 根据固体的能带理论，半导体材料中电子的能级形成能带。高能量的为导带，低能量的为价带，两带被禁带分开。引入半导体的非平衡电子-空穴对复合时，把释放的能量以发光形式辐射出去，这就是载流子的复合发光。 一般所用的半导体材料有两大类，直接带隙材料和间接带隙材料，其中直接带隙半导体材料如GaAs（砷化镓）比间接带隙半导体材料如Si有高得多的辐射跃迁几率，发光效率也高得多。 半导体复合发光达到受激发射（即产生激光）的必要条件是：①粒子数反转分布分别从P型侧和n型侧注入到有源区的载流子密度十分高时，占据导带电子态的电子数超过占据价带电子态的电子数，就形成了粒子数反转分布。②光的谐振腔在半导体激光器中，谐振腔由其两端的镜面组成，称为法布里一珀罗腔。③高增益用以补偿光损耗。谐振腔的光损耗主要是从反射面向外发射的损耗和介质的光吸收。 半导体激光器是依靠注入载流子工作的，发射激光必须具备三个基本条件： （1）要产生足够的粒子数反转分布，即高能态粒子数足够的大于处于低能态的粒子数； （2）有一个合适的谐振腔能够起到反馈作用，使受激辐射光子增生，从而产生激光震荡；

各功率激光的特点

常见激光技术总结 目前常见的激光器按工作介质分气体激光器、固体激光器、半导体激光器、光纤激光器和染料激光器5大类，近来还发展了自由电子激光器。大功率激光器通常都脉冲方式输出已获得较大的峰值功率。 单脉冲激光指的是几分钟才输出一个脉冲的激光，重频激光指的是每分钟输出几次到每秒输出数百次甚至更高的激光。 一、气体激光器 1.He-Ne激光器：典型的惰性气体原子激光器，输出连续光，谱线有63 2.8nm（最常用），1015nm，3390nm，近来又向短波延伸。这种激光器输出地功率最大能达到1W，但光束质量很好，主要用于精密测量，检测，准直，导向，水中照明，信息处理，医疗及光学研究等方面。 2.Ar离子激光器：典型的惰性气体离子激光器，是利用气体放电试管内氩原子电离并激发，在离子激发态能级间实现粒子数反转而产生激光。它发射的激光谱线在可见光和紫外区域，在可见光区它是输出连续功率最高的器件，商品化的最高也达30-50W。它的能量转换率最高可达0.6%，频率稳定度在3E-11，寿命超过1000h，光谱在蓝绿波段（488/514.5），功率大，主要用于拉曼光谱、泵浦染料激光、全息、非线性光学等研究领域以及医疗诊断、打印分色、计量测定材料加工及信息处理等方面。 3.CO2激光器：波长为9~12um（典型波长10.6um）的CO2激光器因其效率高，光束质量好，功率范围大（几瓦之几万瓦），既能连续又能脉冲等多优点成为气体激光器中最重要的，用途最广泛的一种激光器。主要用于材料加工，科学研究，检测国防等方面。常用形式有：封离型纵向电激励二氧化碳激光器、TEA二氧化碳激光器、轴快流高功率二氧化碳激光器、横流高功率二氧化碳激光器。 4.N2分子激光器：气体激光器，输出紫外光，峰值功率可达数十兆瓦，脉宽小于10ns，重复频率为数十至数千赫，作可调谐燃料激光器的泵浦源，也可用于荧光分析，检测污染等方面。 5.准分子激光器：以准分子为工作物质的一类气体激光器件。常用电子束（能量大于200千电子伏特）或横向快速脉冲放电来实现激励。当受激态准分子的不稳定分子键断裂而离解成基态原子时，受激态的能量以激光辐射的形式放出。准分子激光物质具有低能态的排斥性，可以把它有效地抽空，故无低态吸收与能量亏损，粒子数反转很容易，增益大，转换效率高，重复率高，辐射波长短，主要在紫外和真空紫外（少数延伸至可见光）区域振荡，调谐范围较宽。它在分离同位素，紫外光化学，激光光谱学，快速摄影，高分辨率全息术，激光武器，物质结构研究，光通信，遥感，集成光学，非线性光学，农业，医学，生物学以及泵浦可调谐染料激光器等方面已获得比较广泛的应用，而且可望发展成为用于核聚变的激光器件。 二、固体激光器 1.YAG激光器：可分为：Nd-YAG晶体、Ce-Nd-YAG晶体、Yb-YAG晶体、Ho-YAG晶体、Er-YAG晶体。 Nd-YAG激光器：固体激光器，1064nm，Nd-YAG目前综合性能最为优异的激光晶体，连续激光器的最大输出功率1000W，广泛用于军事、工业和医疗等行业。若采用连续的方式运转，采用一级振荡可以获得400W的多模输出，若要输出在百瓦级的激光器，采用单灯单棒，200W以上的采用双灯单棒结构。Nd-YAG激光器不仅适合连续，而且在高重频下运转性能也很优越。重频可达100~200次/s，最高平均功率可400w。采用多级串联来实现高功率输出，目前平均功率最高可达到上600~800瓦，重频可达80~200次/s，单脉冲能量可达80J。 Ce-Nd-YAG激光器：在Nd-AG晶体的基础上添加Ce离子形成Ce-Nd-YAG。利用Ce离子能对紫外光谱区光子能量产生很好的吸收，并且将能量以无辐射跃迁的方式传递给Nd离子，从而增加了光谱的利用率，因此效率高、阈值低、重复频率特性好。 Yb-YAG激光器：Yb3＋掺入YAG基质中形成的一种产生1.03um近红外激光的激光晶体，其与Nd-YAG属于同一种基质，但由于掺杂不同而导致生长工艺有所不同。掺Yb-YAG由于量子效率高，晶体光谱简单，无激发态吸收和上转换，且无荧光浓度猝灭，掺杂浓度高，有较长的荧光寿命，吸收带带宽比Nd-YAG宽得多，能与二极管的泵浦波长有效耦合。在相同的输入功率下，Yb-YAG泵浦生热仅为Nd-YAG的1/4。而且YAG基质的物化特性综合性能最为优良，所以Yb-YAG已成为最引人注目的固体激光介质之一，LD泵浦的高功率Yb-YAG固体激光器成为新的研究热点，并将其视为发展高效、高功率固体激光器的一个主要方向。

第3章测试系统的动态特性与数据处理

信号与测试技术
第3章 测试系统的动态特性与数据处理 北航 自动化科学与电气工程学院 检测技术与自动化工程系 闫 蓓
yanbei@https://www.wendangku.net/doc/5715716495.html,

第3章 学习要求
1、测试系统动态特性的定义及描述方法 2、如何获取测试系统的动态特性 3、掌握主要动态性能指标 时域指标、频域指标 4、掌握动态模型的建立（动态标定） 由阶跃响应获取传递函数的回归分析法 由频率特性获取传递函数的回归分析法
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第3章 测试系统的动态特性与数据处理 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 测试系统的动态特性的一般描述 测试系统时域动态性能指标与回归分析方法 测试系统频域动态性能指标与回归分析方法 测试系统不失真测试条件 测试系统负载效应及抗干扰特性
第3章小结 第3章作业
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3.1 测试系统的动态特性的一般描述 1. 动态特性的定义 测试系统进行动态测量过程中的特性。 输入量和输出量随时间迅速变化时，输出与输入之 间的关系，可用微分方程表示。
y (t ) 误差 e(t ) = ? x (t ) A
瞬态误差 稳态误差 时域特性 频域特性
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温 度 测 量
阶跃 冲激 正弦 一阶系统 二阶系统
心电参数测量
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G (ω ) ? (ω )
振动位移测量
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3.1 测试系统的动态特性的一般描述 2. 测试系统的动态特性方程 n 微分方程 传递函数 频响函数 状态方程 一阶系统 二阶系统
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x(t ) ? y (t )
X ( s) ? Y ( s)
d i y (t ) m d j x(t ) = ∑ bj ai ∑ i j d t d t i =0 j =0
1 1 G( s) = G( s) = 2 2 s 2 s + + ζ ω ω n n n Ts + 1
X ( jω ) ? Y ( jω ) G ( jω ) = Y ( jω ) = 输出傅立叶变换
X ( jω )
输入傅立叶变换
X = AX + BU
时域特性 频域特性
y (t ) = L?1 [G ( s ) X ( s ) ]
G ( jω ) ? ( jω )
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