第二章、激光器输出特性的改善

第二章、激光器输出特性的改善

在精密测量中，普通激光器输出的激光束，往往不能满足实际要求。比如在激光准直测量中，要求激光束发散角尽可能小，这就要求激光器为单横模（TEM 00）输出;在激光干涉测量中，要求激光频率单色性要好，这就要求激光器单横模、单纵模输出；在地卫测距中，要求激光器输出高脉冲能量窄脉冲宽度（调Q 脉冲输出或锁模脉冲输出）等。这就要求对激光器进行某些改善。下面介绍几种常见的激光输出改善反法。 §1. 激光器输出光束的模式选择 一、 激光器横模选择

在激光谐振腔中，只有衍射损耗的大小与横模的阶次有关，且各横模的衍射损耗相差比较大，所以可以通过改变衍射损耗来实现横模选择。由于高阶横模的衍射损耗很大，所以在不采取措施的情况下，激光器一般工作在低阶横模（TEM 00、TEM 10、TEM 01）。基模（TEM 00）衍射损耗最小，其他高阶横模的衍射损耗随横模阶次的增大而迅速增大。激光器的横模选择就是基于这一原理。最常见的方法就是小孔选模。

小孔选横模示意图如右图。

激光器单基横模TEM 00运转的充分（振荡）条件为：

1)1(00210

00≥-δr r e L G （单程增益大于单程损耗） （2-1-1）

其中---0

00G TEM 00模的小信号增益，r 1、r 2---两反射镜的发射系数，--00δTEM 00模的单

程衍射损耗。

激光器单基横模TEM 00运转的必要条件为：衍射损耗高于基横模TEM 00的横模（其中TEM 10是除TEM 00外所有横模中衍射损耗最小的）不能振荡。故应有：

1)1(10210

10 δ-r r e L G （TEM 10模的单程增益小于单程损耗，不能起振） （2-1-2） 其中--10δTEM 10模的单程损耗。

激光谐振腔的衍射损耗完全由谐振腔参数和菲涅尔数N 来决定。 在共焦腔中，0/121=-==?=R L g g R L ，此时N 不变，0010/δδ最大； 而在共心腔

[]

1)/21(,2/2121-=-======R R g g g L R R R 和平行平面腔

[]1/1,2121=∞-==∞===L g g R R R 中，在N 不变情况下， 0010/δδ最小。

从上述分析可知，共焦腔横模选择最灵敏。

一般情况下，当菲涅尔数N<2时，很容易实现单横模运转。由菲涅尔定义：)/(2λL a N =可以看出，腔长L 一定，激光波长λ一定，2a N ∝，（a —腔反射镜有效半径），↓↓?N a ，当a 小到只有TEM 00模满足阈值条件时，就实现了单横模运转。

例如在常用的250mm 的He-Ne 激光器中,L=250mm ，nm 8.632=λ,放电毛细管直径2mm(a=1mm),平凹稳定腔，则01.0)/(2==λL a N ，所以一般He-Ne 激光器为TEM 00模运转，毛细管就充当了小孔光栏的作用。

小孔光栏选单横模原理：在激光谐振腔内设置小孔光栏或限制激光工作物质的横截面积，

?↓??比值增大0010/δδN TEM 00模（光斑尺寸小）可以无阻挡的通过小孔光栏，而光斑较大的其他横模受到阻挡不能通过小孔光栏，损耗增大，致使不能满足阈值条件，从而实现单TEM 00模运转。

因为在激光谐振腔内的不同位置，同一横模的光斑尺寸不同，所以小孔光栏的大小随其位置不同而不同。

一般小孔光栏设置在靠近反镜的位置，如右图，且位置不同，小孔光栏的大小亦不同（一般设置一个小孔光栏）。

在一般的小孔选模中，不能充分利用激光工作物质的增益，如上图，工作物质不可能作成锥型的，致使大部分工作物质的增

益浪费掉了。为了充分利用工作物质，可以采用聚焦光栏法选横模，如右图。

因为TEM 00模的光束质量非常好，可以聚焦到0.1~0.2mm ，而其他横模比此值大的多，因此可以将

小孔作的很小，阻挡高阶模通过，获得单横模运转，又充分利用激光工作物质。 二、 激光器的纵模选择

在精密测量中，总希望激光器输出的激光线宽越窄越好。大家都知道，单模（单横模、单纵模）激光器的输出单色性最好（线宽最窄）。前面介绍了单横模激光器的选横模方法，下面介绍激光器选单纵模的简单方法。

在上一章里，介绍了激光谐振腔的纵模频率为：

q

L L c q

q q 22==λν或 （2-1-3）

纵模间隔为：L

c

q q q 21=

-=?+ννν （2-1-4） 从上式可以看出，腔长越长，纵模频率间隔越小（↓?↑?q L ν），腔长越短，纵模频率间隔越大（↑?↓?q L ν）。

一般来讲，各个纵模的损耗是相同的，所不同的是各纵模的频率不同，故各纵模的增益大小不同，不同纵模的增益如右图。利用不同纵模的增益差值或对某些纵模人为的引入损耗，使得某个纵模达到了起振条件，而其他纵模的增益小于损耗而不能起振，就可以实现纵模选择。最简单的选单纵模方法就是缩短腔长，使得阈值增益线宽内只有一个纵模，从而实现单纵模选择。

阈值线宽osc ν?：单程增益等于单程损耗时所对应的增益线宽叫阈值线宽。 1． 短腔法选单纵模

由（2-1-4）式可知，↑?↓?q L ν，当小信号增益一定时（甭浦强度一定），L 小到一定程度，在阈值增益线宽内只存在一个纵模)2/(osc q L c νν?=? ，就可以实现单纵模运转。

当激光谐振腔的腔长L 一定，腔结构一定，则激光谐振腔的损耗δ就确定了，从而就确定了阈值增益，当甭浦一定时，阈值线宽也就确定了，这样就可以估算出纵模起振个数

[]

1/+??=q osc q νν。

例如，一He-Ne 激光器，腔长L=250cm,nm 8.632=λ,阈值线宽MHz osc 1500=?ν，①该激光器可能有多少个纵模起振？②要想实现单纵模运转，最短腔长为多少？

解：①

[]

[][

]

4

131)105.22/103/(105.11)2//(1/1

89=+=+????=+?=+??=-L c q osc q osc ννν

② 要想实现单纵模运转，必须满足阈值增益线宽内只存在一个纵模的条件。

即cm L MHz L c osc q 10105.12103150029

10

=???=?νν 也就是说，要实现单纵模运转，腔长L<10cm 。如此短的He-Ne 激光器，输出功率非

常小，已无使用价值。

2． 腔内加标准具法选单纵模

腔内加标准具选单纵模激光器如右图。标准具是一厚度为d 的平行平面玻璃（光学平晶），且两表面镀以增反膜，标准具的法线与光轴成θ角。

先介绍一下光学标准具的透光特性。由于光学标准具的两表面平行度非常高，入射光线可以在光学标准具内多次反射，形成多光束干涉，如右图。当相邻两透射光束的光程差为2π的整数倍时，干

涉增强，该波长的透射率最大，反之，当相位差为π的奇数倍时，干涉减弱，该波长的透射率最小。标准具透射峰的对应频率为：

θ

νcos 2nd c

j

j = (2-1-5)

其中j---正整数；n---标准具材料的折射率；θ—光束与标准具法线的夹角。

标准具透射峰间的频率间隔θ

νcos 2nd c

j =

?；透射峰的半宽度为：

r

r

nd c -=

12πδν （2-1-6）

其中r---标准具表面反射率，取值范围为10 r ，当0~0~1,1~δν?-r r 时，即反射率越高，标准具的透射线宽越窄。

总结：标准具的透射峰间的频率间隔Δνj 由n 、d 、θ决定（光程差），↓?↑?j d ν；透射峰的线宽由反射面的反射率r 决定，0~1~,δνδν?↓↑?r r 。

接下来讨论标准具的选模作用。11-q ,,+q q νννq ν 设激光谐振腔未加标准具时，腔纵模间隔为：

'

2L

c q =

?ν--纵模间隔，其中--l

L 谐振腔光程，G t —阈值增益，osc ν?—阈值增益线宽，既在此频率范围内的激光模式可以形成激光振荡而输出。从上图可以看出未加标准具时有三各纵模（νq-1，νq ，νq+1）可以形成振荡输出，而加入标准具后，νq-1，νq+1的损耗增大，致使二模式不能振荡输出，只有νq 损耗没有增大可以形成稳定振荡。从而实现单纵模运转。假如νj 没有与νq 相对应，可以改变标准具法线与谐振腔轴间的夹角θ，使νj 向νq 及增益的中心频率ν0处移动，以得到最大单纵模激光输出。

三、 短脉冲激光输出的获得

一般固体脉冲激光器，如果不采取某中措施，激光器的输出应为脉冲宽度为μs 量级的脉冲序列，激光输出的这种震荡成为弛预震荡或叫张弛振荡。这对于实际应用是十分不利的，例如在地—卫测距中，测量精度完全由脉冲宽度决定。这是因为在地—卫测距中，测量的是激光脉冲发射出去至激光脉冲反射回来的时间间隔。大家都知道，光速c=3*1010cm/s, μ也就是说，1ns （10-9s ）

光传播30cm ，对于在地—卫测距，激光脉宽1ns （10-9s ）时，测量误差为30/2=15cm,若激光脉宽1ms ，测量误差为30*106/2=150km 。且脉冲宽度越宽，激光功率越小，经过长距离传输，很难接收到发射回来的光信号。这就要求采取某种方法将激光脉冲宽度压窄，以提高激光功率。压窄激光脉冲的基本方法有两种，一种是调Q 激光器，另一种是锁模激光器。

1． 固体激光器的弛预振荡

在激光增益介质中，增益的大小完全由反转粒子数Δn 来决定，↑↑??G n ，反之，↓↓??G n 。而阈值增益G t 对应阈值粒子反转数Δn t 。下面我们从反转粒子数的变化来说明弛预振荡过程。

右图是泵浦、反转粒子数、激光输出的时序关系图。单个脉冲宽度约为μs 量级，整个脉冲序列持续时间约为ms 量级。人们把固体激光器的这种脉冲序列输出称为弛预振荡或尖峰振荡。

2． 调Q 激光器的工作原理

如果将固体激光器所输出的脉冲序列的能量压

缩成一个脉冲输出，峰值功率可以提高几个量级，所使用的方法就是调Q 激光器。 调Q 激光器中Q 值概念是引用电子线路中的闭环信号发生器系统中概念，在闭环电子线路中Q 值表示闭环电路中储存的能量与单位时间内所损耗的能量之比。

激光器也是一种闭环系统，也有Q 值，同时在前面介绍激光器的自激振荡时，曾介绍过谐振腔的损耗（例如输出）/L δα=。设腔内储存的能量为W,单位时间内损耗的能量应为：/L W W δα=。则激光器的Q 值可以写成：

δ

πνδπνπν

L

L W W Q 2/22===单位时间内损耗的能量腔内储存的能量 （2-1-7）

Q 反比于损耗δ，所以调Q 就是调节激光谐振腔的损耗。

调Q 激光器的基本原理：

通过某种手段使激光谐振腔的Q 值（或损耗δ）按规定的程序变化。泵浦开始时，先使谐振腔具有高损耗H δ（低Q 值），激光器由于阈值高不能产生激光振荡，于是激光介质上能级的粒子数可以积累到一个较高的水平；在适当的时刻，使谐振腔的损耗突然降至低水平L δ（高Q 值），随之激光振荡阈值也突然降低，此时增益远大于损耗，受激辐射迅速增强，于是在极短的时间内，晶格上能级大部分粒子所储存的能量转变为激光能量，输出一个激光巨脉冲。

调Q 过程示意图如右图所示。T<0时，由于阈值高（Δn<Δn t ），不能形成激光振荡，甭浦使得Δn 持续增大，使Δn 可以积累到一个较高的水平；在t=0时刻，突然降低损耗（Q 增高），导致阈值集居反转数Δn t 降低至低水平，Δn 》Δn t ，腔内光子数N 迅速增加，N

的增大导致Δn 减小，当Δn=Δn t 时，光子数N 达到最

大值N max ，此后，光子数N 不在增大，随时间的增长，

由于Δn 〈Δn t ，N 开始下降，但是由于N 〉0，使Δn

继续下降，最终激光脉冲熄灭。因为激光输出正比于

腔内光子数N ，所以激光器的输出同于腔内光子数的变化。

3． 常用的调Q 方法

根据Q 调制的主被动性，调Q 又分为主动调Q 和被动调Q ，下面分别介绍最常用的主、被动调Q 方法。

a).电光调Q （主动调Q ）---适用于高功率激光器

电光效应：某些各向同性的透明介质，在外加电场作用下，变为各向异性介质，使通过该介质的不同偏振方向的光波场之间产生相位差，从而使出射的光波场的偏振态发生变化，介质的这种现象叫做电光效应。

电光效应是Kerr1875年发现的，他发现某些透明介质加入电场后，折射率发生了变化，折射率随电场E 成正比变化的效应称为普克尔效应，折射率随电场E 的平方成正比变化的效应称为克尔效应。

电光调Q 激光器一般采用的是普克尔效应调Q ，常用的调Q 晶体有：KD *P （磷酸二氘钾KD 2PO 4）和KDP （磷酸二氢钾KH 2PO 4）单轴晶体。下面以退压式电光调Q 激光器

说明调Q 过程。

典型的退压式电光调Q 激光器结构如上图。晶体的光轴Z 与谐振腔腔轴平行，另外两主轴Y 和X 分别与起偏方向垂直或平行，在上述调Q 装置中，激光器偏振方向为Y 方向。不加电压时，沿腔轴方向传播的Y 方向偏振光与Q 晶体的快、慢轴对应，故而Y 方向振动的偏振光经过晶体后偏振方向仍为Y 方向，此时谐振腔损耗最小； 而当Q 晶体沿光轴方向（Z 方向）加电场后，就会发生双折射现象，例如KDP 、KD *P ，两主轴X 、Y 就会发生45°角偏

转，对应折射率分别为'2'1n n 和，如右图所示。E 越大，'2'1n n 和的

差越大。这样Y ’方向偏振的光波场和X ’ 方向偏振的光波场通过Q 晶体后就会产生一相位差。

若外加电场+4/λV ，两光波场的相位差为π/2（90°）。因为Y ‘与Y （起偏方向）成45°角，

Y 方向的偏振光入射Q 晶体后，分解成Y ’和X ‘方向、且振幅相等的偏振方向垂直的两偏振光，出射晶体时，两偏振光相位差为π/2（90°），合成圆偏振光，经反射镜发射后，再次经过Q 晶体，又产生π/2相位差，总相位差为π/2+π/2=π，出射光仍为线偏振光，只是偏振方向旋转了90°角（沿X 方向），不能通过起偏器，从而导致谐振腔损耗最大（δH 对应低Q 值）。

若泵浦开始时，Q 晶体上加+4/λV ，谐振腔损耗最大（H δ），激光器由于阈值高而不能起振，反转粒子数Δn 可以积累到一个较高的水平，在恰当的时刻，给闸流管一个触发，将Q 晶体的两电极短路，谐振腔变为低损耗（高Q 值），激活介质所储存的能量在极短的时间内转变为激光能量，输出一个激光巨脉冲，脉冲宽度一般为10~20ns ，峰值功率MW 量级。

b)染料调Q （被动调Q ）

最简单的染料调Q 激光器如右图。在激光谐振腔中加入一染料合或染料片，利用染料的饱和吸收特性来改变谐振腔的损耗。须注意的是：所选染料的光谱吸收峰应对应与激光器的输出波长重合或接近。

泵浦开始时，由于反转粒子数Δn 比较小，受激辐射弱，腔内光强弱，这时染料吸收系数大（高损耗H δ），激光不能起振，反转粒子数Δn 可以进一步增大，当Δn 增大到一定程度，腔内光强也增大到一定程度，此时腔内光强I ν可以与染料的饱和吸收光强I S 相比拟时，染料的吸收系数反而减小（染料的漂白），谐振腔损耗减小（低损耗L δ），激光开始起振，

↓↑?染料吸收νI ，这样在极短的时间内，将激光介质储存的能量转变为激光能量，输出一个激光巨脉冲。

染料调Q 的优点：造价低，是一种被动快速调Q 激光器，使用简单，容易调： 缺点：染料易变质，需经常换染料，激光输出不够稳定。 4． 锁模激光器

调Q 激光器的输出脉冲宽度一般为几十ns ，为了获得更窄的激光脉冲输出，就需要采用锁模技术，锁模激光器输出脉冲宽度可达10ps （10-11s ）,甚至更窄，称为超短脉冲。

a)、模式锁定（锁模）的基本原理

在非均匀加宽气体或均匀加宽固体激光器中，如果不采取选模措施，总是多纵模输出，且各纵模间初相位是随机分布的，互不相干，所以激光输出为各纵模无规则输出的叠加。若采用某种措施，使各振荡纵模的频率间隔保持一定（激光谐振腔的纵模间隔就是一个定值），且具有确定的相位关系，则各振动纵模间干涉增强，输出一列时间间隔一定的超短脉冲串。

设谐振腔内有N N N N q ),1(,2,1,0,1,),1(,-----= ，2N+1纵模起振，且各纵模振幅相同为E 0，模式未锁定时，输出光功率应为：I=(2N+1)E 02。若采用锁模措施，使各相邻纵模初相位差保持恒定（相位锁定），相位差为β，则有 ：

β??β??q q q q +=?=--01 （2-1-8）

相邻纵模角频率之差为Ω=πv/L ，则第q 模的角频率可表达为：

Ω+=q q 0ωω 0ω---0模的角频率 （2-1-9） 第q 模的光波场为：[])()(000)(β?ωq t q i q e E t E ++Ω+= （2-1-10） 总的光波场为：

[]

[

]

[])

(0

)

(0)()(0

000000)(2

1

sin ))(12(21

sin )(?ωβ?ωβ?ωββ+-=+Ω+++Ω+-=+Ω+Ω+===

∑∑t i N

N

q q t q i t i q t q i N

N

q e T t N E e e

E e

E t E （2-1-11）

光强为：==)()()(*t E t E t I [])

(2

1

sin ))(12(21

sin 22

2

0ββ+Ω+Ω+T t N E （2-1-12）

当 2,1,0,2==+Ωm m t πβ时，光强最大为：

[]

20

222

22

max )12()

(2

1

sin ))(12(21

sin lim

E N T t N E I m t +=+Ω+Ω+∝→+Ωββπ

β （2-1-13） 比未锁模时输出光功率提高了2N+1倍。且腔长L 越长，阈值线宽内纵模个数（2N+1）越多，脉冲峰值功率越高。

脉冲时间间隔为：

v

L

L v T 2/220==Ω=πππ （2-1-14） 正好等于光波场在谐振腔内往返一周所需时间。脉冲序列如下图。 因为，脉冲半宽度τ（最大值的一半所对

应的宽度）与峰值到第一个光强零点间的时间间隔近似相等，所以取τ为：

osc

N νπτ?=

Ω+=

1

)12(2 （2-1-15） 既脉冲宽度τ阈值线宽osc ν?的倒数。

总结：锁模激光器，由于各纵模间的相位锁定，输出为一周期为v L T /20=，脉宽osc ντ?=/1，峰值功率比未锁模时提高2N+1倍的超短脉冲序列。

b)、锁模方法：

与调Q 类似，也分为主动锁模和被动锁模。分别介绍一种主动锁模和被动锁模方法。 主动锁模又分为损耗内调制（或称振幅调制AM ）和相位（或频率调制FM ）。在主动锁模中主要介绍振幅调制锁模。

⑴、电光主动锁模

① 损耗调制频率应为)2/(/10L v T =，既调制周期正好等于光波场在谐振腔内往返一周所需时间T 0；

② 锁模激光器结构如右图所示： 谐振腔镜均作成契型，其余光学元件亦不能垂直入射，以免形成子谐振腔。调制器应尽量靠近全反镜。

③ 调制过程：假设损耗调制器上加一正弦波信号V(t)=V 0sinΩt ，由于起偏器既作为起偏器，又作为检偏器，V(t)每经过

一次V=0，就出现一次损耗最小，所以损耗的变化频率是调制频率的2倍。

由锁模对损耗频率的要求，)2

sin()(20t V t V L v

m m Ω=?=

Ω，所以损耗系数应为 )sin()(100?ααα+Ω?+=t t m （2-1-15）

透射率为：)sin()(2?+Ω?+=t T T t T m c c （2-1-16） 现在来分析锁模激光器的起振过程。

在激光器初始起振时，总是靠近增益曲线中心频率0ν的纵模q ν首先起振，其光波电场为：

)s i n ()(q q q t E t E ?ω+= （2-1-17） 光波场第一次经过电光调制器后，电场变为：

[])sin()sin(1)(2q q m c t t m A t e ?ω?++Ω+=，其中A c =T c *E q ，c m A E m /?=---调制深度。

一般取m≤1，以保证无失真调制，Δm—包络线变化的振幅。将e(t)展开：

[]

[]

[]

)()(cos 2

)()(cos 2

)sin()sin()sin()sin()(222??ω??ω?ω?ω??ω-+Ω-+++Ω++

+=++Ω++=q m q c q m q c q q c q q m q q c t A m

t A m

t A t t m t A t e

从上式可以看出，第一项为靠近中心频率首先起振的q 模（q ω）的振荡光波场，第二项为q+1模(m q q Ω+=+ωω1)的振荡成分，第三项为q-1模(m q q Ω-=-ωω1)的振荡成分。也就是说，q 模的光波场一次通过调制器后，就耦合出两个边带q+1和q-1模的起振，且与q 模相位相关。

同理，光波场再次通过调制器，又会激起q+2和q-2模的起振，这样首先起振的某一模式的光波场几次经过调制器后，

就能把阈值线宽内的所有纵模耦合起来，且位相相关，从而实现模式锁定。耦合示意图如右图。

⑵、染料饱和吸收锁模—被动锁模

染料饱和吸收锁模激光器如右图。下面从对染料的要求说起。

① 锁模染料的要求：染料吸收峰应与激光波长重合或很接近，吸收线宽大于或等于阈值线宽；染料的上能级的弛预时间应短于激光脉冲在谐振腔内往返一周所需时间（2L/v ）。

② 染料的吸收特点：可饱和吸收染料的吸收系数随入射光强的增大而减小，既光越强，吸收越弱（漂白作用），反之，光越弱，吸收越强，透射率随光强的变化如下图。光强的强弱基本上以染料的饱和光强I s 来划分。 ③ 锁模过程：锁模前，谐振腔内的光脉冲是杂乱无章的，锁模染料的作用就是强的光脉冲通过，弱的光脉冲吸收，经放大介质的放大后，强的光

脉冲会更强，脉冲宽度变窄，且变的光滑；从频域上看，开始起振的强脉冲的光频率一定是最靠近中心频率ν0的某个纵模νq ，脉冲变窄后加入了q νν?±q 的频率成分，既

耦合起了边带q-1和q+1模的振荡，由于q-1和q+1模的振荡是由q 模的振荡引起的，所以相位是相关的。随着光脉冲在谐振腔内往返传播，强的光脉冲会更强，弱的更弱，

强脉冲又耦合起更多的相邻纵模，最终将所有的纵模耦合起来，就形成了时间间隔一定（T 0=2L/v ）的脉冲序列输出----被动锁模。

④ 优、缺点：优点是结构简单，易于实现；缺点是输出不够稳定，且需要经常换染料。

6-1 固体激光器特性

实验6-1 脉冲固体激光器输出特性研究 固体激光器是指以某些晶体或特种玻璃为工作物质的激光器。目前，世界上找到的能产生激光的固体物质有几十种，但应用比较成熟的只有钇铝石榴石（YAG：Nd3+）红宝石、钕玻璃等。 固体激光器有连续和脉冲两种工作方式。连续激光器能长时间持续输出稳定的激光，功率从几毫瓦到几百瓦，脉冲激光器又可分为单脉冲激光器及重复频率激光器。前者几秒钟发射一个脉冲，后者一秒钟发射几个到几十个脉冲，激光持续时间为毫秒级，功率为千瓦级。 在脉冲激光器上加一个调Q装置就成为巨脉冲激光器，它可以使激光脉冲缩短到纳秒（10-9s）数量级，从而大大提高了脉冲功率（兆瓦数量级）。近年来出现的锁模技术的激光器——锁模激光器，其激光脉冲为皮秒（10-12s），甚至达到飞秒（10-15s）数量级，脉冲功率有很大增加。 固体激光器能输出连续激光或功率高的激光脉冲，从而产生用通常方法难以达到的局部超高温、超高压，因而应用越来越广泛。在工业上用来打钟表钻石和喷丝头上的微孔，切割和焊接难熔金属。在医疗上常用固体激光消除肿瘤以及作手术激光刀等。以固体激光器为核心的激光测距仪和激光雷达广泛用于测量和国防上。科学研究上常用固体激光器作为强光源实现动态全息摄影。大能量的激光器还可以用来引发核聚变、探索受控热核反应等，前景十分广阔。 激光技术的飞速发展和广泛应用使得激光已成为高校中越来越多的学科、专业学习和研究的重要课题。激光器的结构、工作原理，激光的形成条件及其性能和基本参数的检验与测定是非常必要的。 【实验目的】 1、了解脉冲固体激光器的基本结构和基本原理，并练习调整激光器谐振腔，使其输出激光。 2、测定脉冲激光器的输出特性曲线，找出光泵能量阈值，计算出激光器的绝对效率和斜效率。 3、测定激光器输出光束的发散角。 【实验原理】 （一）固体激光器的基本结构和工作原理 激光，其英文为Laser，全名为Light amplification by stimulated emission of radiation，全名译为辐射的受激发光放大。这很好地概括了激光产生的机制。激光器就是根据激光产生的机制而设计的。它由工作物质，泵浦系统和光学谐振腔等部分组成。实验所用Y AG激光器的结构如图6-1-1所示。

测试装置动态特性仿真实验报告

测试装置动态特性仿真实验 班级：7391 学号：2009301828 姓名：张志鹏 一、实验目的 1、加深对一阶测量装置和二阶测量装置的幅频特性与相频特性的理解； 2、加深理解时间常数变化对一阶系统动态特性影响； 3、加深理解频率比和阻尼比变化对二阶系统动态特性影响； 4、使学生了解允许的测量误差与最优阻尼比的关系。 二、实验原理 1、 一阶测量装置动态特性 一阶测量装置是它的输入和输出关系可用一阶微分方程描述。一阶测量装置的频率响应函数为： 式中：S S 为测量装置的静态灵敏度；τ为测量装置的时间常数。 一阶测量装置的幅频特性和相频特性分别为： 可知，在规定S S =1的条件下，A （ω）就是测量装置的动态灵敏度。 当给定一个一阶测量装置，若时间常数τ确定，如果规定一个允许的幅值误差ε，则允许测量的信号最高频率ωH 也相应地确定。 为了恰当的选择一阶测量装置，必须首先对被测信号的幅值变化范围和频率成分有个初步了解。有根据地选择测量装置的时间常数τ，以保证A （ω）≥1-ε 能够满足。 2、二阶测量装置动态特性 二阶测量装置的幅频特性与相频特性如下： 幅频特性202220)/(4))/(1(/1)(ωωξωωω--=A 相频特性2200))/(1/()/(2()(ωωωωξφ--=arctg w Α（ω）是ξ和ω/0ω的函数，即具有不同的阻尼比ξ的测试装置当输入信??????ωτ+ωτ-ωτ+=ωτ+=ω22s s )(1j ) (11S j 11S )j (H ()()2 11 A ωτ+=ω()ωτ -=ωφarctan

号频率相同时，应具有不同的幅值响应，反之，当不同的频率的简谐信号送入同一测试装置时它们的幅值响应也不相同，同理具有不同的阻尼比ξ的测试装置当输入信号频率相同时，应有不同的相位差。 (1).当ω=0时，Α（ω）=1;(2).当ω→∞，A （ω）=0;(3).当ξ≥0.707时随着输入信号频率的加大，Α（ω）单调的下降, ξ＜0.707时Α（ω）的特性曲线上出现峰值点;(4)如果ξ=0，))/(1/(1))/(1(/1)(202 20ωωωωω-=-=A ，显然，其峰值点出现在ω=0ω处。其值为“∞”，当ξ从0向0.707变化过程中随着的加大其峰值点逐渐左移，并不断减小。 对以上二阶环节的幅频特性的结论论证如下： (1).当ω=0时A(ω)=1 (2).当ω→∞时,A(ω)=0 (3).要想得到A(ω)的峰值就要使202220)/(4))/(1(/1)(A ωωξ-ωω-=ω 中的202220)/(4))/(1(ωωξωω--取最小值。 令:t=20)/(ωω t t t f 224)1()(ξ+-= 对其求导可得t=1-22ξ时,f(t)取最小值.由于t=20)/(ωω≥0,所以1-22ξ≥0, 2ξ必须小于1/2时,f(t)才有最小值,即ξ>2/2时，A(ω)不出现峰值点;当ξ＜2/2时4244)(ξξ-=t f ,f(t)对ξ求导得)21(82ξξ-，可以看出f(t): ξ属于[0， 2/2]时单调递增，于是得A(ω)的峰值点A 为4244/1)(/1ξξ-=t f ; 在ξ属于[0，2/2]递减。 (4).当ξ=0时 A=∞，t=20)/(ωω，ω/0ω=1,即ξ=0时A(ω)的峰值为∞，且必出现在ω/0ω=1时，当ξ=2/2时,t=0→ω=0，A(ω)=1. 还可以看出，在ξ属于[0，2/2]增大时t=1-22ξ就减小，即f(t)的峰值左平移。 （二）阻尼比的优化 在测量系统中，无论是一阶还是二阶系统的幅频特性都不能满足将信号中的所有频率都成比例的放大。于是希望测量装置的幅频特性在一段尽可能宽的范围内最接近于1。根据给定的测量误差，来选择最优的阻尼比。

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

半导体激光器输出特性的影响因素

半导体激光器输出特性的影响因素 半导体激光器是一类非常重要的激光器，在光通信、光存储等很多领域都有广泛的应用。下面我将探讨半导体激光器的波长、光谱、光功率、激光束的空间分布等四个方面的输出特性，并分析影响这些输出特性的主要因素。 1． 波长 半导体激光器的发射波长是由导带的电子跃迁到价带时所释放出的能量决定的，这个能量近似等于禁带宽度Eg(eV)。 hf=Eg f(Hz)和λ(μm)分别为发射光的频率和波长 且c=3×108m/s ，h=6.628×10?34J ·s ，leV=1.60×10?19J 得 决定半导体激光器输出光波长的主要因素是半导体材料和温度。 不同半导体材料有不同的禁带宽度Eg ，因而有不同的发射波长λ：GaAlAs-GaAs 材料适用于0.85μm 波段，InGaAsP-InP 材料适用于1.3~1.55μm 波段。 温度的升高会使半导体的禁带宽度变小，导致波长变大。 2． 光功率 半导体激光器的输出光功率 其中I 为激光器的驱动电流，P th 为激光器的阈值功率；I th 为激光器的阈值电流；ηd 为外微分量子效率；hf 为光子能量；e 为电子电荷。 hf 、e 为常数，Pth 很小可忽略。由此可知，输出光功率主要取决于驱动电流I 、阈值电流I th 以及外微分量子效率ηd 。驱动电流是可随意调节的，因此这里主要讨论后两者。除此之外，温度也是影响光功率的重要因素。 1）阈值电流 半导体激光器的输出光功率通常用P-I 曲线表示。当外加正向电流达到某一数值时，输出光功率急剧增加，这时将产生激光振荡，这个电流称为阈值电流，用I th 表示。当激励电流II th 时，有源区不仅有粒子数反转，而且达到了谐振条件，受激辐射为主，输出功率急剧增加，发出的是激光，此时P-I 曲线是线性变化的。对于激光器来说，要求阈值电流越小越好。 阈值电流主要与下列影响因素有关： a) 晶体的掺杂浓度越大，阈值电流越小。 b) 谐振腔的损耗越小，阈值电流越小。 c) 与半导体材料结型有关，异质结阈值电流比同质结小得多。 d) 温度越高，阈值电流越大。 2）外微分量子效率 ) (th d th I I e hf P P -+=ηλ c =f

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。

医学中常用的激光器

医学中常用的激光器 自第一台激光器问世后，人们对激光器件及技术进行了大量的研制工作，取得了相当可观的成果。目前能实现激光运转的工作物质达数百种以上，大体上分为气体、固体、半导体、染料等几大类。人们在探索激光产生机理的同时，扩展了激光的频谱范围，几千条谱线遍布于真空紫外到远红外的广阔光谱区域。激光方向性好、强度大，可以使被照物体在1/1000s内产生几千度的高温，瞬间发生汽化。由于激光的物理特性决定了其具有明显的生物学效应，。各种不同的激光具有不同的特性和组织效应，正确认识激光的这些特点，是选择和合理利用激光的基础。 一．气体激光器 气体激光器，按工作物质的性质，大致可分成下列三种：(1)原子激光器：利用原子跃迁产生激光振荡，以氦氖激光器为代表。氩、氪、氙等惰性气体，铜、镉、汞等金属蒸气，氯、溴、碘等卤素，它们的原子均能产生激光。原子激光器的输出谱线在可见和红外波段，典型输出功率为10毫瓦数量级。 (2)分子激光器：利用分子振动或转动状态的变化产生辐射制成的，输出的激光是分子的振转光谱。分 子激光器以二氧化碳(CO 2)激光器为代表，其他还有氢分子(H 2 )，氮分子(N 2 )和一氧化碳(CO)分子等激光 器。分子激光器的输出光谱大多在近红外和远红外波段，输出功率从数十瓦到数万瓦。(3)离子激光器：这类激光器的激活介质是离子，由被激发的离子产生激光放大作用，如氩离子(激活介质为Ar＋)激光器。氦镉激光器(激活介质为Cd＋)等。离子激光器的输出光谱大多在可见光和紫外波段，输出功率从几毫瓦到几十瓦。 气体激光器是覆盖波谱范围最广的一类器件，能产生连续输出。其方向性、单色性也比其他类型器件好，加之制造方便、成本低、可靠性高，因此成为目前应用最广的一类器体。 1、氦氖激光器 氦氖激光器能输出波长为632.8nm的可见光，具有连续输出的特性。它的光束质量很好(发散角小，单色性好，单色亮度大)。激光器结构简单，成本低，但输出功率较小。氦氖激光器在工业、科研、国防上应用很广，医疗上主要用于照射，有刺激、消炎、镇痛、扩张血管和针灸等作用，广泛用于内科、皮肤科、口腔科及细胞的显微研究。 氦氖激光器有三种结构形式：内腔式、外腔式和半内腔式。它们均由放电管、谐振腔、激励电源等三部分组成。以内腔式为例，放电毛细管是产生气体放电和激光的区域，它的内径很小，约在1到几毫米。电极A为阳极，由钨杆或钼(或镍)筒制成。阴极K为金属圆筒，由铝、钼、钽等制成，它们均有足够的电子发射能力和抗溅射能力。组成谐振腔的两块反射镜紧贴于放电管两端，并镀以多层介质膜。其中一个为全反射镜，另一个则为部分反射镜，整个谐振腔在出厂前已调整完毕，因此使用简单、方便。放电管的管径比放电毛细管粗几十倍，用以保持氦氖气压比及加固谐振腔。为了避免放电管变形而引起激光输出下降，内腔管的长度不宜过大，一般不超过一米。外腔式激光器可以更换不同的反射镜，使输出功率最大，光束发散角最小。也可在反射镜和放电管之间插入光学元件，以研究激光器的输出特性，调制它的频率或幅度，并可制成单频大功率激光器。 2、二氧化碳激光器 二氧化碳激光器的能量转换效率达20～25%(氦氖激光器的能量转换效率仅为千分之几)。它的输出波长为10.6微米，属于远红外区，连续输出功率可达万瓦级，常用电激励，结构比较简单紧凑，使用 方便，是目前最常用的激光器之一，在医学上，CO 2激光器作为手术刀使用日益引起人们的重视。CO 2 激 光器也用于皮肤科、外科、神经外科、整形外科、妇科和五官科的手术，在癌症的治疗上也有一定成效。 最常见的封离型内腔式二氧化碳激光器的管壳是由硬质玻璃或石英材料制成的。常见为三层玻璃套管结构，其最内层是放电管，中间层是水冷套，外层是储气管。在内外层之间有气体循环通路，这是为了保证混合气体的均匀分布而设计的。其光学谐振腔通常用平凹球面腔。球面镜可用石英或其他光学玻璃做基片，然后，在表面上镀层金属膜。平面镜是输出窗片，要求它对10.6μm的激光有很好的透过率，且表面不易损伤，机械性能好等。一般中小功率的激光器常常采用锗单晶做输出片，大功率的用砷化镓

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)。

激光器的种类及性能参数总结

激光器的种类及性能参数总结 半导体激光器——用半导体材料作为工作物质的一类激光器 中文名称： 半导体激光器 英文名称： semiconductor laser 定义1： 用一定的半导体材料作为工作物质来产生激光的器件。 所属学科： 测绘学（一级学科）；测绘仪器（二级学科） 定义2： 以半导体材料为工作物质的激光器。 所属学科： 机械工程（一级学科）；光学仪器（二级学科）；激光器件和激光设备-激光器名称（三级学科） 定义3： 一种利用半导体材料PN结制造的激光器。 所属学科： 通信科技（一级学科）；光纤传输与接入（二级学科） 半导体激光器的常用参数可分为：波长、阈值电流Ith 、工作电流Iop 、垂直发散角θ⊥、水平发散角θ∥、监控电流Im 。 （1）波长：即激光管工作波长，目前可作光电开关用的激光管波长有635nm、650nm、670nm、激光二极管690nm、780nm、810nm、860nm、980nm等。 （2）阈值电流Ith ：即激光管开始产生激光振荡的电流，对一般小功率激光管而言，其值约在数十毫安，具有应变多量子阱结构的激光管阈值电流可低至10mA以下。 （3）工作电流Iop ：即激光管达到额定输出功率时的驱动电流，此值对于设计调试激光驱动电路较重要。 （4）垂直发散角θ⊥：激光二极管的发光带在垂直PN结方向张开的角度，一般在15?~40?左右。 （5）水平发散角θ∥：激光二极管的发光带在与PN结平行方向所张开的角度，一般在6?~ 10?左右。 （6）监控电流Im ：即激光管在额定输出功率时，在PIN管上流过的电流。 工业激光设备上用的半导体激光器一般为1064nm、532nm、808nm，功率从几瓦到几千瓦不等。一般在激光打标机上使用的是1064nm的，而532nm的则是绿激光。 准分子激光器——以准分子为工作物质的一类气体激光器件。 中文名称： 准分子激光器 英文名称： excimer laser 定义：

Gb激光器各供应商性能比较总结

当前生产40Gbps EML器件的厂商主要有OKI、Cyoptics、MITSUBISHI、Eudyna。其中有三家（OKI、MITSUBISHI、Eudyna）满足XLMD-MSA标准，即是双GPPO高频同轴接口和14个pin脚的蝶形器件。Cyoptics 虽然不满足XLMD MSA但其满足ITU and MSA标准，其的特点是EA偏置可以单独调节，给最后整个模块的调试带来极大的方便。还有其监测电流最小为0.4μA。OKI （JOG-01401）其EA的偏置是和驱动输出在一起，这样给调节带来极大的困难。MITSUBISHI的EA的偏置可以调节但是是与LD偏置在一起调节，想对于OKI来说比较方便，但是调节还是存在一定的困难。在TEC功耗方面OKI （JOG-01401）和Eudyna （HS/ETM5401NF）比较低正常工作时为1.3W，这就为其他器件腾出了更大的功耗容量。激光器的阈值电流多家公司为35mA,其中MITSUBISHI（FU-697SEA-1M1）只有20 mA，但其输出光功率最大可达3 dBm。在驱动内置的三家公司中，OKI （JOG-01401）和Eudyna（HS/ETM5401NF）驱动控制引脚为6pin，MITSUBISHI （FU-697SEA-1M1）为5pin，但其X-Point控制电压绝对值最小，并且没有X-Point控制电压参考电压。在高频输入信号电压方面，差分输入信号的范围为0.2到1Vpp之间，其中Eudyna（HS/ETM5401NF）输入的差分信号最小为0.2to 0.5 Vpp，并且驱动芯片为差分输入，其高频输入电压是单端输入的一半左右。各个厂商的具体参数见下表 小结：1）.以上各厂商共同的缺点是驱动前没有DC-BLOCK这就需要在器件外增加额外的设计上，使得模块的密度过高。2）.对于我们自己设计来说，最后单独空余一个pin脚来单独控制EML芯片的EA偏置，这样会给以后模块的电路调节带来极大的方便。3）.在TEC的选型方面，可以参考上述厂商，选择功耗比较低的，给其他器件腾出了更大的功耗容量，如正常工作时为1.3W。4）.驱动IC的控制引脚一般为5到6脚，并且其一般都含有X-Point Control Voltage，driver Supply Voltage ，Output Amplitude Control Voltage(current)，Output Bias Control Voltage等引脚。5）.在选择驱动IC时最好选择差分输入，这样可以降低高频同轴输入的信号电压。

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

第二章、激光器输出特性的改善.

第二章、激光器输出特性的改善 在精密测量中，普通激光器输出的激光束，往往不能满足实际要求。比如在激光准直测量中，要求激光束发散角尽可能小，这就要求激光器为单横模（TEM 00）输出;在激光干涉测量中，要求激光频率单色性要好，这就要求激光器单横模、单纵模输出；在地卫测距中，要求激光器输出高脉冲能量窄脉冲宽度（调Q 脉冲输出或锁模脉冲输出）等。这就要求对激光器进行某些改善。下面介绍几种常见的激光输出改善反法。 §1. 激光器输出光束的模式选择 一、 激光器横模选择 在激光谐振腔中，只有衍射损耗的大小与横模的阶次有关，且各横模的衍射损耗相差比较大，所以可以通过改变衍射损耗来实现横模选择。由于高阶横模的衍射损耗很大，所以在不采取措施的情况下，激光器一般工作在低阶横模（TEM 00、TEM 10、TEM 01）。基模（TEM 00）衍射损耗最小，其他高阶横模的衍射损耗随横模阶次的增大而迅速增大。激光器的横模选择就是基于这一原理。最常见的方法就是小孔选模。 小孔选横模示意图如右图。 激光器单基横模TEM 00运转的充分（振荡）条件为： 1)1(00210 00≥-δr r e L G （单程增益大于单程损耗） （2-1-1） 其中---0 00G TEM 00模的小信号增益，r 1、r 2---两反射镜的发射系数，--00δTEM 00模的单 程衍射损耗。 激光器单基横模TEM 00运转的必要条件为：衍射损耗高于基横模TEM 00的横模（其中TEM 10是除TEM 00外所有横模中衍射损耗最小的）不能振荡。故应有： 1)1(10210 10 δ-r r e L G （TEM 10模的单程增益小于单程损耗，不能起振） （2-1-2） 其中--10δTEM 10模的单程损耗。 激光谐振腔的衍射损耗完全由谐振腔参数和菲涅尔数N 来决定。 在共焦腔中，0/121=-==?=R L g g R L ，此时N 不变，0010/δδ最大； 而在共心腔 [] 1)/21(,2/2121-=-======R R g g g L R R R 和平行平面腔 []1/1,2121=∞-==∞===L g g R R R 中，在N 不变情况下， 0010/δδ最小。

激光器介绍

激光器介绍 WALC4020数控激光切割机 更快、更宽、更厚的钣金切割专家 1、产品简介 更高性能的激光切割系统: WALC4020选择了世界最先进的激光器、切割头。拥有最高质量的部件和最好的结构。如西门子的控制系统和直线驱动系统，STAR的直线导轨。 更先进的结构型式： A．横梁 WALC4020激光切割机采用横梁倒挂结构，此结构有如下优势： 1．与横梁悬臂式相比，横梁的运行速度更高，运行更平稳，可达200米/分。这是因为驱动力的作用点位于横梁的重心，不会产生附加力矩，驱动效率更高，运行更平稳。 2．与小龙门移动式相比，电气控制更简单，系统更可靠。操作更方便。 因此，WALC4020更适用于高速，高功率切割。 B．交换工作台： 采用垂直升降式交换工作台，此型式的交换方式与目前使用的斜升式相比有如下优点： A．提升能力更大，安装更方便。 B．与横梁倒挂结构配合，结构更合理。 C．在切割区内，工作台下的空间更大，以便布置排渣装置及抽风除尘装置。 C．驱动： WALC4020激光切割机的X、Y轴采用了西门子的控制系统和直线驱动系统，与传统电机+滚珠丝杠（齿条）相比，驱动力更大，加速度更高。加速度可达3G，速度最高可达200米/分。而且运行更平稳。 X，Y，Z轴的导轨采用STAR高品质直线导轨，精度更高，运行更平稳。 2、产品特性 WALC4020融合了激光最新技术的应用 一．控制 WALC4020的控制器是SIEMENS 840D。该控制器的界面已经进行了改进，以适合激光切割系统的应用。 二．穿透检测 在打孔时，穿透检测使用传感器来确定光束是不是已经穿透了板材，这样可以得到最高质量的穿透效果，节省时间。

半导体激光器主要性能参数定义

半导体激光器 1．P-I 特性及阈值电流 P-I特性揭示了LD输出光功率与注入电流之间的变化规律，因此是LD最重要的特性之一。 典型的激光器P-I曲线 由P-I曲线可知，LD是阈值型器件，随注入电流的不同而经历了几个典型阶段。 ?当注入电流较小时，有源区里不能实现粒子数反转，自发辐射占主导地位，LD发射普通的荧光，光谱很宽，其工作状态类似于一般的发光二极管。 ?随着注入电流的加大，有源区里实现了粒子数反转，受激辐射开始占主导地位，但当注入电流仍小于阈值电流时，谐振腔里的增益还不足以克服损耗，不能在腔内建立起一定模式的振荡，LD发射的仅仅是较强的荧光， 称为“超辐射”状态。

? 只有当注入电流达到阈值以后，才能发射谱线尖锐、模式明确的激光，光 谱突然变窄并出现单峰（或多峰）。 2．激光器线宽 半导体的激光器的线宽是多少？有的用nm 表示，有的用Hz 表示，计算公式是什么？经常会提到激光器的线宽<0.0001 nm 换算成“Hz”是多少赫兹啊？ 线宽即为激光某一单独模式的光谱宽度，一般表达形式：nm ，Hz ，cm-1。该参数与激光本身的波长由关系。 例：比如波长为1064nm, 线宽0.1nm ，则换算为Hz 单位： GHz v 5.261065.21.01064101031029 8=?=???=? 3. 边模抑制比（SSR ） 边模抑制比是指在发射光谱中，在规定的输出功率和规定的调制（或 CW ）时最高光谱峰值强度与次高光谱峰值强度之比。

边模抑制比示意图 4.振荡腔 HR AR 谐振腔的作用是选择频率一定、方向一致的光作最优先的放大，而把其他频率和方向的光加以抑制。凡不沿谐振腔轴线运动的光子均很快逸出腔外; 沿轴线运动的光子将在腔内继续前进，并经两反射镜的反射不断往返运行产生振荡，运行时不断与受激粒子相遇而产生受激辐射，沿轴线运行的光子将不断增殖，在腔内形成传播方向一致、频率和相位相同的强光束，这就是激光。为把激光引出腔外，可把一面反射镜做成部分透射的，透射部分成为可利用的激光，反射部分留在腔内继续增殖光子。 光学谐振腔的作用有：①提供反馈能量，②选择光波的方向和频率。谐振腔内可能存在的频率和方向称为本征模。两反射镜的曲率半径和间距（腔长）决定了谐振腔对本征模的限制情况。不同类型的谐振腔有不同的模式结构和限模特性。 5.三种类型的QCL 按振荡腔设计的差异，QCL可以分为三大类：

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/e94505154.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
信号与测试技术
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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激光器种类及其特点调研

激光器种类及特点调研 *激光器基本结构：工作物质、泵浦源和光学谐振腔 工作物质：激光器核心，是激光器产生光的受激辐射放大作用的源泉 泵浦源：为在工作物质中实现粒子数反转分布提供所需能源 光学谐振腔：为激光振荡的建立提供正反馈，同时谐振腔的参数影响输出激光束的质量 *激光器的分类及输出特性 1、按工作物质分 1)气体激光器 激励方式：一般采用气体放电激励，还可以采用电子束激励、热激励、化学反应激励等，使得发生不同能量状态之间跃迁从而产生激光 波长范围：真空紫外——远红外波段 特点：激光谱线上万条，具有输出光束质量高（方向性级单色性好）、连续输出功率大（如CO2激光器）等输出特性、器件结构简单，造价低廉 2）固体激光器 固体工作物质通常是在基质材料，如晶体或玻璃中掺入少量的金属离子（激活离子），激光跃迁发生在激活离子的不同工作能级之间 波长范围：可见光——近红外波段 特点：激光谱线数数千条，具有输出能量大、运转方式多样等特点，器件结构紧凑、牢靠耐用、易于与光纤耦合进行光纤传输 3）液体激光器 波长范围：紫外——近红外波段（300nm—1.3μm） 特点：激光波长连续可调谐，但稳定性比较差 4）半导体激光器 波长范围：近红外波段（920nm—1.65μm），其中1.3μm与1.55μm为光纤传输的两个窗口 特点：能量转换效率高、易于进行高速电流调制、超小型化、结构简单、使用寿命长 5）化学激光器 6）自由电子激光器 工作物质是通过电子加速器加速的高能电子，将相对论电子束的动能转变为激光辐射能 特点：具有非常高的能量转换效率、输出激光波长连续可调谐 7）X射线激光器 8）光纤激光器 工作物质：以掺入某些激活离子的光纤，或者利用光纤自身的非线性光学效应制成的激光器 分类：晶体光纤激光器、稀土类掺杂光纤激光器、塑料光纤激光器和非线性光学效

激光二极管的特性

激光二极管的特性 激光二极管的特性 1、伏安特性 半导体激光器是半导体二极管，具有单向导电性，其伏安特性与二极管相同。反向电阻大于正向电阻，可以通过用万用表测正反向电阻确定半导体激光二极管的极性及检查它的PN结好坏。但在测量时必须用1k以下的档，用大量程档时，激光器二极管的电流太大，容易烧坏。 2、P—I特性 激光二极管的出射光功率P与注入电流I的关系曲线称为P-I曲线。 注入电流小于阈值电流Ith时，激光器的输出功率P很小，为自发辐射的荧光，荧光的输出功率随注入电流的增加而缓慢增加。 注入电流大于Ith时，输出功率P随注入电流的增加而急剧增加，这时P—I曲线基本上 是线性的。当I再增大时，P—I曲线开始弯曲呈非线性，这是由于随着注入电流的增大，使结温上升，导致P增加的速度减慢。 判断阈值电流的方法：在P—I特性曲线中，激光输出段曲线的向下延长线与电流轴的交点为激光二极管的阈值电流。 3、光谱特性 激光二极管的发射光谱由两个因素决定：谐振腔的参数，有源介质的增益曲线。 腔长L确定纵模间隔，宽W和高H决定横模性质。如果W和H 足够小，将只有单横模TEM00存在。 多模激光二极管在其中心波长附近呈现出多个峰值的光谱输出。单纵模激光器只有一个峰值。 工作在阈值以上的1mm腔长的增益导引LD的典型发射光谱 激光二极管是单模或多模还与泵浦电流有关。折射率导引LD，在泵浦电流较小、输

出光功率较小时为多模输出；在电流较大、输出光功率较大时则变为单模输出。而增益导引LD，即使在高电流工作 下仍为多模。 折射率导引激光器光谱随光功率的变化 发射光谱随注入电流而变化。IIt 发射激光，光谱突然变窄。因此，从激光二极管发射光谱图上可以确定阈值电流。当注入电流低于阈值电流时光谱很宽，当注入电流达到阈值电流时，光谱突然变窄，出现明显的峰值，此时的电流就是阈值电流。 IIt 激光辐射 4、温度特性 半导体激光器的阈值电流随温度的升高而增加，变化关系可表示为： T/T0) Ith(T)?Aexp(式中T0是衡量阈值电流Ith对温度变化敏感程度的参数——叫特征温度，取决于器件的材料和结构等因素，T0值越大，表示Ith对温度变化越不敏感，器件的温度特性越好。A是常数。 因Ith随温度升高而增大，因此P—I特性曲线也随温度变化。随着温度升高，在注入电流不变的情况下，输出光功率会变小。这就是为什么LD工作一段时间后输出功率会下降。 阈值—温度特性与其结构有关，一般说，异质结构比同质结的温度特性好。 温度变化还将引起激光器输出光谱的改变，出现跳模（mode hop）现象。原因：温度改变，使腔的参数（折射率， 腔长）发生较大变化，引起激发模式发生变化。在模式跳跃之前，因折射率和腔长随温度升高而有少量增加，致使波长随温度升高而缓慢增大（下图a）。如要避免跳模，必须增大模式间隔（下图b）。 对于多模增益导引半导体激光器，波长随温度的变化是由于带隙随温度变化而产生的，温度变化主要影响光增益曲线而不是腔的参数，因此变化曲线是连续的(下图c)。 半导体激光器必须加制冷器，进行温度控制。

测试实验二测试系统动态特性校准

实验二测试系统动态特性校准 1.1 实验目的 （1）掌握振动加速度测试系统的组成 （2）掌握振动压电、压阻加速度传感器原理和测量方法 （3）掌握振动传感器比较法动态特性校准的实验方法 （4）掌握数据处理的一般方法 1.2 实验系统基本组成 本实验系统由振动控制系统和远程数据采集、处理系统两部分组成。振动控制系统中的振动台产生动态校准、动态测试所需的振动信号。振动控制系统由振动控制仪、功率放大器、振动台和反馈传感器构成，目的是使振动台按照预先设定的参考谱进行振动。标准传感器和被校传感器感受相同的振动，经过相应的变送器或放大器的输出电压信号送入数据采集系统，经服务器发送到学生实验客户端进行后续的动态校准与分析。如图1所示 主要实验设备及性能 压阻放大器

系统灵敏度S=KEs=K×0.328mv/g=2500×K1/500g=…mv/g SLM振动加速度变送器输入输出关系式0.25v/g 图1 图2 1.3 实验原理 实验以压阻式加速度传感器为校准对象，在振动台的家具台商采用背靠背的方式安装标准传感器与被校准传感器，这样保证了他们感受的是相同的振动信号，通过采集两个传感器的输出并将其送到学生实验客户端，通过比较不同的频率下的两个信号的幅值，用标准信号的灵敏度来计算出被校传感器的灵敏度，通过与理论制作比较来得到校准的结果。 1.4 实验操作 1．操作步骤 （1）固定好传感器，连接好相应的仪器与设备。 （2）打开振动台工控机与功率放大器的电源。功率放大器的启动方法如下：1.按下去电源A按钮，这时电源B上的OFF按钮上的灯亮。2.约等数秒后，按下电源B的ON开关，这时只有ON上的灯亮。3.预热约3-5分钟。 （3）打开电荷放大器和变动期的开关，点击工控机桌面的vibration test.exe 图标，选择正弦扫频振动实验。 （4）旋转增益旋钮约至60%，运行自检。 （5）待系统提示自检成功，点击运行开始运行实验，按照本实验要求进行采集数据。 （6）采集完毕后，先将功率放大器的增益旋钮旋至复位，关闭各个软件。功率放大器的关闭方式如下：1.将输出方式站换到低阻 2.按下电源B的OFF按钮，此时ON上指示灯灭，OFF指示灯亮。 3.约等十多秒后按下A按钮，此时只有风扇转动，可能会有短暂的声音，这是正常的。 （7）关断外部供电，实验完毕。 2 注意事项 （1）当由于电源干扰等原因引起的失控或计算机死机发生时，应按如下方式进行：