第二章开放式光腔与高斯光束 1.证明如图 2.1所示傍轴光线进入平面介质界面的光线变换矩阵为 1 2 1 0 η η ?? ?? ?? ?? ?? 。 证明：设入射光线坐标参数为 11 ,rθ，出射光线坐标参数为 22 ,rθ，根据几何关系可知211122 ,sin sin r rηθηθ ==傍轴光线sinθθ则 1122 ηθηθ =，写成矩阵形式 21 21 1 2 1 0 r r θθ η η ?? ???? ?? = ???? ?? ???? ?? ?? 得证 2.证明光线通过图2.2所示厚度为d的平行平面介质的光线变换矩阵为 1 2 1 0 1 d η η ?? ?? ?? ?? ?? 。 证明：设入射光线坐标参数为 11 ,rθ，出射光线坐标参数为 22 ,rθ，入射光线首先经界面1折射，然后在介质2中自由传播横向距离d，最后经界面2折射后出射。根据1题的结论和自由传播的光线变换矩阵可得 21 21 21 12 1 0 1 0 1 0 0 0 1 r r d θθ ηη ηη ???? ???? ?? ???? = ???? ?? ???? ?? ???? ???? ???? 化简后21 21 1 2 1 0 1 d r r θθ η η ?? ???? ?? = ???? ?? ???? ?? ?? 得证。 3．试利用往返矩阵证明共焦腔为稳定腔，即任意傍轴光线在其中可以往返无限多次，而且两次往返即自行闭合。 证：设光线在球面镜腔内的往返情况如下图所示：
其往返矩阵为： 由于是共焦腔，则有 12R R L == 将上式代入计算得往返矩阵 () ()()1 2 101 0110101n n n n n n r L r L ??????===-=-???????????? A B C D T T T T T 可以看出，光线在腔内往返两次的变换矩阵为单位阵，所以光线两次往返即自行闭合。 于是光线在腔内往返任意多次均不会溢出腔外，所以共焦腔为稳定腔。 4.试求平凹、双凹、凹凸共轴球面镜腔的稳定性条件。 解：共轴球面腔稳定性条件1201g g <<其中1212 11,1L L g g R R =-- =- 对平凹共轴球面镜腔有12,0R R =∞>。则122 1,1L g g R ==- ，再根据稳定性条件 1201g g <<可得2 2011L R R L <- <>?。 对双凹共轴球面腔有，120,0R R >>则1212 1,1L L g g R R =- =-,根据稳定性条件1201g g << 可得11221 212010 01 1R L R L R L R L R R L L R R L <?? <????<-- ?????? 或。 对凹凸共轴球面镜腔有，120,0R R ><则1212 1,1,0L L g g R R =- =>-根据稳定性条件1201g g << 可得121120111R L R R R L L R L ???? <--
习题I 1、He-Ne 激光器m μλ63.0≈，其谱线半宽度m μλ12 10-≈?，问λλ/?为多少？要使其相干长度达到1000m ，它的单色性λλ/?应是多少？ 解：63.01012 -=?λλ λλδτ?= ==2 1v c c L c 相干 = = ?相干 L λ λ λ 2、He-Ne 激光器腔长L=250mm ，两个反射镜的反射率约为98%，其折射率η=1，已知Ne 原子m μλ6328.0=处谱线的MHz F 1500=?ν，问腔内有多少个纵模振荡？光在腔内往返一次其光子寿命约为多少？光谱线的自然加宽ν?约为多少？ 解：MHz Hz L c v q 60010625 210328 10=?=??==?η
5 .2=??q F v v s c R L c 8 10 1017.410 3)98.01(25)1(-?=??-=-=τ MHz Hz L c R v c c 24104.2)1(21 7=?=-≈=πτδ 3、设平行平面腔的长度L=1m ，一端为全反镜，另一端反射镜的反射率90.0=γ，求在1500MHz 频率范围内所包含的纵模数目和每个纵模的频带宽度？ 解：MHz Hz nL c v q 150105.1100 210328 10=?=??==? 10 150 1500==??q v v L c R v c c )1(21 -≈ =πτδ 4、已知CO 2激光器的波长m μλ60.10=处 光谱线宽度MHz F 150=?ν，问腔长L 为多少时，腔内为单纵模振荡（其中折射率η=1）。
解：L c v v F q η2=?=?， F v c L ?=2 5、Nd 3 —YAG 激光器的m μ06.1波长处光 谱线宽度MHz F 5 1095.1?=?ν，当腔长为10cm 时，腔中有多少个纵模？每个纵模的频带宽度为多少？ 解：MHz L c v q 3 10105.110 21032?=??==?η 130 =??q F v v L c R v c c )1(21 -≈ =πτδ 6、某激光器波长m μλ7.0=，其高斯光束束腰光斑半径mm 5.00=ω。 ①求距束腰10cm 、20cm 、100cm 时， 光斑半径)(z ω和波阵面曲率半径)(z R 各为多少？ ②根据题意，画出高斯光束参数分布图。
第2章电力电子器件课后复习题 第1部分：填空题 1. 电力电子器件是直接用于主电路中，实现电能的变换或控制的电子器件。 2. 主电路是在电气设备或电力系统中，直接承担电能变换或控制任务的电路。 3. 电力电子器件一般工作在开关状态。 4. 电力电子器件组成的系统，一般由控制电路、驱动电路、主电路三部分组成， 由于电路中存在电压和电流的过冲，往往需添加保护电路。 5. 按照器件能够被控制的程度，电力电子器件可分为以下三类：不可控器件、半控型器件 和全控型器件。 6．按照驱动电路信号的性质，电力电子器件可分为以下分为两类：电流驱动型和电压驱动型。 7. 电力二极管的工作特性可概括为单向导电性。 8. 电力二极管的主要类型有普通二极管、快恢复二极管、肖特基二极管。 9. 普通二极管又称整流二极管多用于开关频率不高,一般为1K Hz以下的整流电路。其 反向恢复时间较长，一般在5μs以上。 10.快恢复二极管简称快速二极管，其反向恢复时间较短，一般在5μs以下。 11.肖特基二极管的反向恢复时间很短,其范围一般在10～40ns之间。 12.晶闸管的基本工作特性可概括为：承受反向电压时，不论是否触发，晶闸管都不会导 通；承受正向电压时，仅在门极正确触发情况下，晶闸管才能导通；晶闸管一旦导通， 门极就失去控制作用。要使晶闸管关断，只能使晶闸管的电流降至维持电流以下。 13.通常取晶闸管的U DRM和U RRM中较小的标值作为该器件的额定电压。选用时，一般取 为正常工作时晶闸管所承受峰值电压2~3 倍。 14.使晶闸管维持导通所必需的最小电流称为维持电流。晶闸管刚从断态转入通态并移除 触发信号后，能维持导通所需的最小电流称为擎住电流。对同一晶闸管来说，通常I L约为I H的称为2~4 倍。 15.晶闸管的派生器件有：快速晶闸管、双向晶闸管、逆导晶闸管、光控晶闸管。 16. 普通晶闸管关断时间数百微秒，快速晶闸管数十微秒，高频晶闸管10微秒左右。 高频晶闸管的不足在于其电压和电流定额不易做高。 17.双向晶闸管可认为是一对反并联联接的普通晶闸管的集成。 18.逆导晶闸管是将晶闸管反并联一个二极管制作在同一管芯上的功率集成器件。 19. 光控晶闸管又称光触发晶闸管，是利用一定波长的光照信号触发导通的晶闸管。光触 发保证了主电路与控制电路之间的绝缘，且可避免电磁干扰的影响。
激光对射技术原理及应用分析 近年来周界防范系统已经成为安防系统基本且不可或缺的安防子系统。 不仅在军工厂、军营、机场、港口、政府机关等高端领域可见其“踪影”。 同时还被广泛应用到住宅小区,并在这些领域保持着相当高的应用增长速度。 众所周知,安全防范技术现在的发展方向是将视频监控、周界报警、入侵探测、门禁控制等独立的安防子系统集成整合,形成一个多功能、全天候、动态的综合安全管理系统。 而周界报警作为安防系统的第一道防线,作用十分重要,已从过去被动的报警探测,发展为今天的威慑阻挡加报警。 且随着安防技术的发展和安防市场的成熟,以及政策法规的进一步完善,数字化、集成化、网络化将是它发展的必然趋势。 周界报警系统是在防护的边界利用如泄漏、激光、电子围栏等技术形成一道或可见或不可见的“防护墙”。 当有越墙行为发生时,相应防区的探测器即会发出报警信号,并送至控制中心的报警控制主机,发出声光警示的同时显示报警位置。 还可联动周界模拟电子屏,甚至联动摄像监控系统、门禁系统、强电照明系统等。 近年来周界防范系统已经成为安防系统基本且不可或缺的安防子系统,不仅在军工厂、军营、机场、港口、政府机关等高端领域可见其 “踪影”,同时还被广泛应用到住宅小区,并在这些领域保持着相当高的应用增长速度。
本文将对激光对射、张力式电子围栏、泄漏电缆、振动电缆四种最常用的周界防范技术进行分析,借此一窥周界防范报警系统技术的发展踪迹。 激光对射工作原理 三安古德激光对射探测器由收、发两部分组成。 激光发射器向安装在几米甚至于几百米远的接收器发射激光线,其射束有单束、双束,甚至多束。 当相应的三安古德激光射束被遮断时,接收器即发出报警信号。 接收器由光学透镜、激光光电管、放大整形电路、功率驱动器及执行机构等组成。 其工作原理是接收器能收到激光射束为正常状态,而当发生入侵时,发射器发射的激光射束被遮挡,即光电管接收不到激光光。 从而输出相应的报警电信号,并经整形放大后输出开关量报警信号。该报警信号可被报警控制器接收,并去联动执行机构启动其它的报警设备,如声光报警器、模拟电子地图、电视监控系统、照明系统等。系统组成 激光周界防越报警系统通常由前端探测系统、现场报警系统、传输系统、中心控制系统、联动系统以及电源系统六部分组成。 1、前端探测系统由激光探测器及其相关附件组成,其对周界围墙或护栏进行防护,检测周界入侵行为,并输出报警信号。 2、现场报警系统由现场报警器及联动装置组成,在探测器检测到入侵行为时,即启动现场报警设备,对非法入侵行为进行威慑。
激光基础知识 1．目的 了解激光的发展简史，清楚激光的产生原理及特性，熟知激光的危害等级及激光发振器的结构 2．激光的产生及发展史 2．1世界上第一台激光器是由美国科学家梅曼（T.H.Maiman）于1960年研究成功的，这台红宝石激光器作为发光物质（棒两头镀上银膜形成反射镜面），棒外面套上一支螺旋状的氪气灯，为了充分利用氪灯光，梅曼又在螺旋灯外套上一个反射率很高的圆柱，以便使更多的氪灯光照在红宝石上。 其实，早在1916年爱因斯坦就曾发表过一篇论文，提出了一种现在叫光学感应吸收和光学感应发射的观点（又叫受激吸收和发射），这一观点后来竟成为激光器的主要理论基础，1952年，美国马里阑大学的韦伯开始运用上述概念去放大电磁波，但工作没能往前发展，只有激光的发明人汤期（C.TOWES）向韦伯索要了论文，继续这一工作，才打开了一个新的领域。 汤斯的最初设想：由四个反射镜围成一只玻璃盒，盒内充以铊，盒外放一个铊灯，用这一装置可产生激光，汤斯的合作者肖洛（A.schawlow）擅长于光譜学，对原子光譜及两平行反射镜的光学特性十分熟悉，便对汤斯的设想提出两条修改意见，一是他证明铊原子不可能产生光放大，建议改用钾（其实钾也不易产生激光），二是建议只用两面反射镜便可形成光的振荡器，不必沿用微波放大器的封闭盒子作为谐振器。直到现在，汤斯和肖洛研制
出来的，但是他们提出的基本概念和构想却被公认是对激光领域划时代的贡献。 2．2激光的产生原理 由原子结构可知，电子绕核高速旋转，各自有不同轨迹道，这些轨迹道称为能级电子，处于不同的能级。原子系统的能量不同，由于粒子有趋于低能级的特性，平衡状态时，低能级粒子吸收能量，跃迁到高能级上，（分布规律符合玻而兹曼公式）。如果提供一个能源，使低能级粒子吸收能量，跃迁到高能级上，使高能级粒子数多于低能级粒子数，这就是所谓的“粒子聚集数反转”，高能级粒子有向低能级自发跃迁的趋势，一个电子自发跃迁时，一个能级差放出一个光子，称自发辐射，自发辐射放出光子的频率的跃迁的能差成正比，符合普朗克公式hr=E1-E2，式中H=6.626x10^-34(J.S)为普朗克常数；r为光子频率；E2，E1分别为高能级和低能级能量，此光子又激发E2能级的粒子，使E2能级的粒子受激放出频率，相位，方向完全一致的光子即受激发射，此时E2能级一个粒子，产生了二个完全相同的光子，这两个光子再出激发E2能级的粒子，就产生了四个相同光子，这种雪崩式的反应，使入射光得到放大，使光强迅速增强，如果在粒子受激辐射系统的两端设置二块相互平行的反射镜，构成光学谐振腔，那么平行于谐振腔轴线的光，在二个反射镜之间振荡放大，越来越强，直到E2能级的粒子都受激跃迁到E1能级时，“粒子聚集反转”现象消失，随时逸出谐振腔外而消失，最后得到的光束方向一致，亮度最高的单色光即激光（LASER-Light，Amplification by
2.3 半控型器件—晶闸管 全称晶体闸流管，又称可控硅整流器（SCR）。 1、晶闸管的结构与工作原理 晶闸管结构图、双晶体管模型图、工作原理图和符号图如图1所示，晶闸管的管芯是P1N1P2N2四层半导体，形成3个PN结J1、J2和J3。可等效为PNP和NPN两个三极管。 图1 晶闸管结构图、双晶体管模型图、工作原理图和符号图 晶闸管的工作原理是：门极电流I G↑→I b2↑→I c2(I b1)↑→Ic1↑→I K↑，阳极A、阴极K饱和导通。 2、晶闸管工作特点是： （1）承受反向电压时，不论门极是否有触发电流，晶闸管都不会导通。 （2）承受正向电压时，仅在门极有触发电流的情况下晶闸管才能开通。 （3）晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用。 （4）要使晶闸管关断，只能使晶闸管的电流降到接近于零的某一数值以下。 3、闸管静态特性 晶闸管静态V-I特性曲线图如图2所示。 图2 晶闸管静态V-I特性曲线图 （1）正向特性：I G=0时，器件两端施加正向电压，只有很小的正向漏电流，为正向阻断状态。正向电压超过正向转折电压U bo，则漏电流急剧增大，器件开通。随着门极电流幅值的增大，正向转折电压降低。晶闸管本身的压降很小，在1V左右。 （2）反向特性：反向特性类似二极管的反向特性。反向阻断状态时，只有极小的反相漏电流流过。 4、动态特性 晶闸管的开通和关断过程波形如图3所示。 图3晶闸管的开通和关断过程波形 （1）开通过程：延迟时间t d：0.5~1.5?s。上升时间t r：0.5~3?s。开通时间t gt：以上两者之和，t gt=t d+ t r。 （2）关断过程：反向阻断恢复时间t rr，正向阻断恢复时间t gr，关断时间t q是以上两者之和t q=t rr+t gr。普通晶闸管的关断时间约几百微秒。 5、晶闸管的主要参数 （1）电压定额 断态重复峰值电压U DRM：在门极断路而结温为额定值时，允许重复加在器件上的正向峰值电压。
一．He-Ne激光器 1.谱线竞争的原因：具有相同上能级或者相同下能级的谱线之间，当产生辐射跃迁时，对公有能级的粒子数发生影响，存在相互作用，这就是谱线竞争。 2.如何抑制 3.39μm? ①.谐振腔的作用：对于较短的氦氖激光器，靠谐振腔的选择性来抑制3.39μm谱线，谐振腔采用对632.8nm高反射率的多层介质膜，使谐振腔对632.8nm有高的增益，而对3.39μm经反射镜反射后损耗很大，单程增益很低，使之不能振荡，只产生632.8nm的谱线输出。②.谐振腔中加色散元件：在谐振腔一个反射镜和布儒斯特窗之间放置一块三棱镜，由于棱镜对632.8nm和3.39μm的折射率不同，通过棱镜后就有不同的偏向角，调整谐振腔的位置，使得3.39μm的辐射偏离出腔外，只让632.8nm在腔内振荡。 ③.甲烷吸收法：甲烷（CH4）气体对 3.39μm处有强烈吸收，而对832.8nm是完全透明的。 ④.外加轴向非均匀磁场：非均匀磁场引起的增宽对632.8影响不大，对3.39μm影响很大。由于增益与线宽成反比，所以非均匀磁场造成的谱线加宽使3.39μm的增益明显下降，而632.8nm变化不大，因此大大提高了它对3.39μm的竞争能力，使632.8nm的增益增大。 二、二氧化碳（CO2）激光器 1.P支和R支：二氧化碳激光器的跃迁发生在振动能级（0001）—（1000）
和（0001）—(0200)之间。从一个振动能级到另一个振动能级跃迁时，也可能同时发生转动量子数的变化，对二氧化碳分子的激光跃迁，其选择定则为：1 ?，，1-= 0± = ?J的跃迁称为R ?J的跃迁称为P支，1+ = 支，0 ?J的跃迁称为Q支，在二氧化碳分子中，Q支是不存在的。 = P支较R支先振荡的原因：由于P支跃迁的上能级的统计权重（2J+1）比下能级的（2J+1）要小，而R支跃迁的上能级的统计权重（2J+3）比下能级（2J+1）要大，这就使P支的跃迁比R支的跃迁容易建立起粒子数的反转分布，又由于P支的跃迁几率比R支大，因而P支的激光振荡就比较容易实现。一旦P支跃迁的某些谱线的振荡建立之后，由于竞争效应的作用，R支跃迁更难产生激光振荡。因而一般观察不到R支跃迁的激光谱线，只有在谐振腔内插入分光元件，或谐振腔具有高选泽特性的情况下，有意的抑制了P支谱线振荡后，才能使R支的跃迁实现激光振荡，从而激光器输出相应的激光谱线。 2.辅助气体的作用： ①.N2和CO：主要都是增大二氧化碳分子0001能级的激发速率，以增多激光上能级的粒子数。N2和二氧化碳按比例混合后，能使二氧化碳激光器的输出功率提高一倍以上。CO分子还能增加0110能级的驰豫速率，有利于下能级的“抽空”，并且不会形成N2O等有害物质，在放电管中充以CO，还可以起到抑制二氧化碳分子的离解，增长运转寿命。 ②He:在CO2+N2的激光器中加适量氦，可以使激光输出功率增大几倍，氦能显著改善二氧化碳激光器输出特性。主要是由于氦的热导率
《激光原理》习题解答 第二章习题解答 1 试利用往返矩阵证明共焦腔为稳定腔，即任意傍轴光线在其中可以往返无限次，而且两次往返即自行闭合. 证明如下：（共焦腔的定义——两个反射镜的焦点重合的共轴球面腔为共焦腔。共焦腔分为实共焦腔和虚共焦腔。公共焦点在腔内的共焦腔是实共焦腔，反之是虚共焦腔。两个反射镜曲率相等的共焦腔称为对称共焦腔，可以证明，对称共焦腔是实双凹腔。） 根据以上一系列定义，我们取具对称共焦腔为例来证明。 设两个凹镜的曲率半径分别是1R 和2R ，腔长为L ，根据对称共焦腔特点可知： L R R R ===21 因此，一次往返转换矩阵为 ?????? ?????????????????? ??-???? ??---?????????? ??-+-???? ??--=??????=211121222121221221221R L R L R L R L R R R L L R L D C B A T 把条件L R R R ===21带入到转换矩阵T ，得到： ? ? ? ???--=??????=1001D C B A T 共轴球面腔的稳定判别式子()12 1 1<+<-D A 如果 ()121 -=+D A 或者()12 1=+D A ，则谐振腔是临界腔，是否是稳定腔要根据情况来定。本题中 ，因此可以断定是介稳腔（临界腔），下面证明对称共焦腔在近轴光线条件下属于稳定腔。 经过两个往返的转换矩阵式2 T ，?? ? ? ??=10012T 坐标转换公式为：?? ????=??????? ?????=??????=???? ??1111112221001θθθθr r r T r 其中等式左边的坐标和角度为经过两次往返后的坐标，通过上边的式子可以看出，光线经过 两次往返后回到光线的出发点，即形成了封闭，因此得到近轴光线经过两次往返形成闭合，对称共焦腔是稳定腔。 2 试求平凹、双凹、凹凸共轴球面腔的稳定条件。 解答如下：共轴球面腔的()2 12 21222121R R L R L R L D A + --≡+，如果满足()1211<+<-D A ，
第二讲电力电子器件的概述与电力二极管 2.1 电力电子器件概述 2.1.1 电力电子器件的概念 主电路（Main Power Circuit）—电气设备或电力系统中，直接承担电能的变换或控制任务的电路。 电力电子器件（Power Electronic Device）—可直接用于处理电能的主电路中，实现电能的变换或控制的电子器件。 广义上电力电子器件可分为电真空器件（Electron Device）和半导体器件（Semiconductor Device）两类。 电真空器件（Electron Device）：自20世纪50年代以来，真空管（Vacuum Valve）仅在频率很高（如微波）的大功率高频电源中还在使用，而电力半导体器件已取代了汞弧整流器（Mercury Arc Rectifier）、闸流管（Thyratron）等电真空器件，成为绝对主力。因此，电力电子器件目前也往往专指电力半导体器件。 电力半导体器件（Power Semiconductor Device）所采用的主要材料仍然是硅。 2.1.2 电力电子器件的特征 同处理信息的电子器件相比，电力电子器件的一般特征： 1)能处理电功率的大小，即承受电压和电流的能力是最重要的参数 其处理电功率的能力小至毫瓦级，大至兆瓦级, 大多都远大于处理信息的电子器件。 2)电力电子器件一般都工作在开关状态 导通时【通态（On－State）】阻抗（Impedance）很小，接近于短路，管压降（V oltage Across the Tube）接近于零，而电流由外电路决定 阻断时【断态（Off－State）】阻抗很大，接近于断路，电流几乎为零，而管子两端电压由外电路决定 电力电子器件的动态特性（Dynamic Speciality）【也就是开关特性（Switching Speciality）】和参数，也是电力电子器件特性很重要的方面，有些时候甚至上升为第一位的重要问题。 作电路分析时，为简单起见往往用理想开关来代替 3)电力电子器件往往需要由信息电子电路来控制 在主电路和控制电路之间，需要一定的中间电路对控制电路的信号进行放大，这就是电力电子器件的驱动电路(Driving Circuit)。 4)为保证不致于因损耗散发的热量导致器件温度过高而损坏，不仅在器件
1.3 如果微波激射器和激光器分别在λ＝10μm ，＝5×10－ 1μm 输出1W 连续功率，试问每秒钟从激光上能级向下能级跃迁的粒子数是多少？ 解：若输出功率为P ，单位时间内从上能级向下能级跃迁的粒子数为n ，则： 由此可得： 其中346.62610J s h -=??为普朗克常数， 8310m/s c =?为真空中光速。 所以，将已知数据代入可得： =10μm λ时： 19-1=510s n ? =500nm λ时： 18-1=2.510s n ? =3000MHz ν时： 23-1=510s n ? 1.4设一光子的波长＝5×10－ 1μm ，单色性λ λ ?＝10－ 7，试求光子位置的不确定量x ?。若光子的波长变为5×10－ 4μm （x 射线）和5 ×10 －18 μm （γ射线），则相应的x ?又是多少 m m x m m m x m m m x m h x h x h h μμλμμλμλλμλλ λλλλλλλλ 11171863462122 1051051051051051051055/105////0 /------?=?=???=?=?=???=?==?=???=?=?P ≥?≥?P ??=P?=?P =?P +P?=P 1.7如果工作物质的某一跃迁波长为100nm 的远紫外光，自发跃迁几率A 10等于105S － 1，试问：（1）该跃迁的受激辐射爱因斯坦系数B 10是多少？（2）为使受激跃迁几率比自发跃迁几率大三倍，腔内的单色能量密度ρ应为多少？ c P nh nh νλ==P P n h hc λ ν= =
1.8如果受激辐射爱因斯坦系数B10＝1019m3s－3w－1，试计算在（1）λ＝6 m（红外光）；（2）λ＝600nm（可见光）；（3）λ＝60nm（远紫外光）；（4）λ＝0.60nm（x射线），自发辐射跃迁几率A10和自发辐射寿命。又如果光强I＝10W/mm2，试求受激跃迁几率W10。 2.1证明，如习题图2.1所示，当光线从折射率η1的介质，向折射率为η2的介质折射时，在曲率半径为R的球面分界面上，折射光线所经受的变换矩阵为 其中，当球面相对于入射光线凹（凸）面时，R取正（负）值。 习题
《光电子器件与技术》课程教学大纲 Photoelectron Apparatus and Techniques 课程代码：26105420 课程性质：专业方向理论课（选修） 适用专业：电子信息科学与技术 开课学期：6 总学时数：32 总学分数：2.0 修订年月：2006年6月 执 笔：张学习 一、课程的性质和目的 本课程为电子信息科学与技术专业的专业方向选修课，是以应用为主的工程技术基础类课程。其任务是掌握光电子器件的基本原理以及一些典型的光电子器件的工作方式，使学生系统地掌握光电子器件与技术的基本原理和基础知识，培养学生使用和分析光电子器件的能力。 二、课程教学内容及学时分配 （一）光控器件的基础 1、光电器件的物理基础； 2、激光信号调制的理论基础； 3、波导器件的理论基础和波导器件传光的基本理论。 （二）电、磁光控器件 1、空间光调制器； 2、电光调制器； 3、磁光调制器和调制器件。 （三）典型的声光控制器件 1、声光器件的控制作用； 2、声光控制器件的类型与参数； 3、声光器件的应用。 （四）无源光波导控制器件 1、波导开关器件； 2、几何光学波导器件； 3、无源光波导调制器。 （五）半导体激光器件 1、半导体激光器的特性与分类； 2、典型的半导体激光器和半导体激光器目前的发展方向与途径。 （六） 固体激光器 1、固体激光器的基本结构、关键技术； 2、新型固体激光器的应用。 本章知识点为：固体激光器的基本结构，DPSSL的特性与关键技术。 （七） 高能激光器 1、高能激光器的特性； 2、高能化学激光器和自由电子激光器。 （八） 高速光电探测器件 1、光电二极管、分离探测器的应用； 2、多元探测器及其应用和发展。 （九） 电荷耦合固体成像器件 1、CCD电荷耦合器件的工作基本原理； 2、CCD器件的特性与应用。 总学时：32，其中：理论学时32。具体分配参见下表： 序号 课 程 内 容 理论学时
激光器技术的应用现状及发展趋势 摘要 :简述了激光精密加工技术及其特点 ; 综述了激光精密加工的应用现状 ; 探讨了激光精密加工技术的发展趋势。激光加工技术在机械工业中的广泛应用, 促进了激光加工技术向工业化发展。为此, 介绍了几种应用较广泛的激光加工技术; 重点讨论了激光硬化和激光珩磨技术的应用和发展趋势。摘要由于在光通信光数据存储传感技术医学等领域的广泛应用近几年来光纤激光器发展十分迅速本文简要介绍了光纤激光器的工作原理及特性 , 并对目前多种光纤激光器作了较为详细的分类 ; 同时介绍了近几年国内外对于光纤激光器的研究方向及其目前的热点是高功率光纤激光器、窄线宽可调谐光纤激光器和超短脉冲光纤激光器 ; 最后指出光纤激光器向高功率、多波长、窄线宽发展的趋势 . :结合河北工业大学光机电一体化研究室近几年对激光加工技术研究的初步成果, 对激光加工技术的特点, 激光加工技术在国内外的应用发展状况, 以及激光加工技术的发展趋势进行了简要介绍, 同时分析了我国激光加工产业面临的机遇与挑战,并提出了应采取的对策 前言 1 概述 激光加工是 20 世纪 60 年代初期兴起的一项新技术,此后逐步应用于机械、汽车、航空、电子等行业, 尤以机械行业的应用发展速度最快。在机械制造业中的广泛使用又推动了激光加工技术的工业化。 20 世纪 70 年代,美国进行了两大研究 :一是福特汽车公司进行的车身钢板的激光焊接 ; 二是通用汽车公司进行的动力转向变速箱内表面的激光淬火。这两项研究推动了以后的机械制造业中的激光加工技术的发展。到了 20 世纪 80 年代后期, 激光加工的应用实例有所增加 , 其中增长最迅速的是激光切割、激光焊接和激光淬火。这 3 项技术目前已经发展成熟, 应用也很广泛。进入 20 世纪 90 年代后期, 激光珩磨技术的出现又将激光微细加工技术在机械加工中的应用翻开了崭新的一页。激光加工技术之所以得到如此广泛的应用, 是因为它与传统加工技术相比具有很多优点:一、是非接触加工, 没有机械力; 二、是可以加工高硬度、高熔点、极脆的难加工材料;三、是加工区小,热变形很小,
1、 激光的定义 激光是由受激发射的光放大产生的辐射。 2、 激光的基本特性 单色性，方向性，相干性，高亮度。 3、 空间相干性与时间相干性 波在空间不同区域可能具有不固定的相位差，只有在一定空间范围内的光波才有相对固定的位相差，使得只有一定空间内的光波才是相干的。这种特性叫做波的空间相干性。 与波传播时间差有关的，由不确定的位相差导致的，只有传播时间差在一定范围内的波才具有相对固定的位相差从而相干的特性叫波的时间相干性。 4、 光子简并度 光子属于波色子，大量光子集合遵从波色-爱因斯坦统计规律，处于同态的光子数不受限制。虽然处于同一光子态的光子数并非严格的不随时间的变化，但其平均光子数是可以确定的。这种处于同一光子态的平均光子数成为光子简并度。 5、 激光器的基本组成及其应用 激光器一般包括三个部分。 激光器的基本结构由工作物质、泵浦源和光学谐振腔三部分组成。 激光技术是涉及到光、机、电、材料及检测等多门学科的一门综合技术，传统上看，它的研究范围一般可分为：激光焊接，激光切割，激光治疗，激光打标，激光打孔，激光热处理，激光快速成型，激光涂敷等。 6、 自发辐射 处于激发态的原子中，电子在激发态能级上只能停留一段很短的时间，就自发地跃迁到较低能级中去，同时辐射出一个光子，这种辐射叫做自发辐射。 7、 受激辐射 在组成物质的原子中，有不同数量的粒子（电子）分布在不同的能级上，在高能级上的粒子受到某种光子的激发，会从高能级跳到（跃迁）到低能级上，这时将会辐射出与激发它的光相同性质的光，而且在某种状态下，能出现一个弱光激发出一个强光的现象。 8、 受激吸收 处于低能级的原子(l E )，受到外来光子的激励下，在满足能量恰好等于低、高两能级之差(E ?)时，该原子就吸收这部分能量，跃迁到高能级(h E )，即h l E E E ?=-。受激吸收与受激辐射是互逆的过程。 9、 激光产生的必要条件 受激幅射是产生激光的首要条件，也是必要条件。 工作物质必须具有亚稳态能级。
第二讲 开关电源中的主要元器件 元器件是构成开关电源的基础，深入了解关键元器件的性能，对于使用维护乃至设计开 关电源尤为重要。本节将对应用广泛的新型元器件作介绍。 一、 功率开关 晶闸管(SCR)于1956年问世，接着以它为核心的派生器件投入市场，而这些派生器件比SCR具有更高的额定电压和电流，以及更好的开关特性。但是它们均属半控型器件， 所以辅助电路多、效率低、工作频率低。 进入20世纪80年代，由于电力电子技术和微电子技术的应用相结合，而向市场推出了高频化全控功率集成器件。如功率MOS管、绝缘门极晶体管IGBT(或IGT)、静电感应晶体管(SIT)、场控晶闸管(MCT)等。由于这些器件不需另设辅助开关去强迫关断，故称为全控型电子器件。它们具有较高的效率和较高的工作频率，从而使开关电源整机体积变小而重量变轻，达到提高功率密度的目的。 在新一代全控型电力电子器件中，功率MOS管和静电感应晶体管(SIT)属单极型器件，它们只有一种载流子。而IGBT(或IGT)、MCT及功率集成电路(PIC)或智能功率模块(1PM)、智能开关等，为混合型器件。它们是双极型晶体管与MOS管混合，或是晶闸管与MOS器件混合。上述器件除有自关断性能外，还有如下特点： (1)在结构上由无数单元小管并联集成； (2)均为高频器件，工作频率从几千赫兹至几兆赫兹。有的频率已达10MHz以上； (3)应用性能更完善，除了有开关功能之外，有些器件还有放大、PWM调制、逻辑运算等功能。目前，高频开关电源采用的功率器件通常有：功率MOSFET、IGBT、功率MOSFET与 IGBT混合管及功率集成器件。 1、功率MOSFET 场效应管分为结型场效应管和绝缘栅型场效应管，功率场效应晶体管都是绝缘栅型场效应管。绝缘栅型场效应管是由金属氧化物、半导体组成的场效应晶体管，简称MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)，这是一种电压控制的单极型器件。功率MOSFET(VMOSFET，有时也简称VMOS)作为开关器件，其常态都是阻断状态，也就是说都是增强型的MOSFET。VMOSFET分为N沟道和P沟道两种，其中，N沟道VMOSFET的导通电流从漏极D流向源极S，而P沟道VMOSFET的导通电流从源极S流向漏极D，它们的电气图形符号如图3-2-1所示。 图3-2-1 VMOSEFT的图形符号
周炳琨激光原理第二章习题解答（完整版） 1.试利用往返矩阵证明对称共焦腔为稳定腔，即任意傍轴光线在其中可以往返无限多次，而且两次往返即自行闭合。 证明：设从镜M 1→M 2→M 1,初始坐标为??? ? ??θ00r ，往返一次后坐标变为???? ??θ11r =T ???? ??θ00r ,往返两次后坐标变为???? ??θ22r =T ?T ??? ? ??θ00r 而对称共焦腔，R 1=R 2=L 则A=1- 2R L 2=-1 B=2L ??? ? ??-2R L 1=0 C=-?????????? ??-+121R L 21R 2R 2=0 D=-??? ??????? ??-???? ? ?--211R L 21R L 21R L 2=-1 所以，T=??? ? ??--1001 故，???? ??θ22r =???? ??--1001???? ??--1001???? ??θ00r =??? ? ??θ00r 即，两次往返后自行闭合。 2．试求平凹、双凹、凹凸共轴球面镜腔的稳定性条件。 解：共轴球面腔的稳定性条件为0
01且L R R <-||21 3．激光器的谐振腔由一面曲率半径为1m 的凸面镜和曲率半径为2m 的凹面镜组成，工作物质长0.5m ，其折射率为1.52，求腔长L 在什么范围内是稳定腔。 解： 由图可见有工作物质时光的单程传播有效腔长减小为无工作物质时的 ?? ? ??--=n 11L L L C e ？ 由0
激光的基础知识 相信激光这名词对大家来说一点也不陌生。在日常生活中，我们常常接触到激光，例如在课堂上我们所用的激光指示器，与及在计算机或音响组合中用来读取光盘资料的光驱等等。在工业上，激光常用于切割或微细加工。在军事上，激光被用来拦截导弹。科学家也利用激光非常准确地测量了地球和月球的距离，涉及的误差只有几厘米。激光的用途那么广泛，究竟它有哪些特点，又是如何产生的呢？以下我们将会阐释激光的基本特点和基本原理。 激光的特性 高亮度、高方向性、高单色性和高相干性是激光的四大特性。 （1）激光的高亮度：固体激光器的亮度更可高达1011W/cn2Sr 。不仅如此，具有高亮度的激光束经透镜聚焦后，能在焦点附近产生数千度乃至上万度的高温，这就使其可能可加工几乎所有的材料。 （2）激光的高方向性：激光的高方向性使其能在有效地传递较长距离的同时，还能保证聚焦得到极高的功率密度，这两点都是激光加工的重要条件。 （3）激光的高单色性：由于激光的单色性极高，从而保证了光束能精确地聚焦到焦点上，得到很高的功率密度。 （4）激光的高相干性：相干性主要描述光波各个部分的相位关系。 正是激光具有如上所述的奇异特性因此在生活、工业加工、军事、科研等领域中得到了广泛地应用。 激光产生原理 激光的发展有很长的历史，它的原理早在1917 年已被著名的物理学家爱因斯坦发现，但要直到1958 年激光才被首次成功制造。激光英文名是Laser，即Light Amplification by the Stimulated Emission of Radiation 的缩写。 激光的英文全名已完全表达了制造激光的主要 过程。但在阐释这个过程之前，我们必先了解物 质的结构，与及光的辐射和吸收的原理。 物质由原子组成。图一是一个碳原子的示 意图。原子的中心是原子核，由质子和中子组成。 质子带有正电荷，中子则不带电。原子的外围布 满着带负电的电子，绕着原子核运动。有趣的是， 电子在原子中的能量并不是任意的。描述微观世 界的量子力学告诉我们，这些电子会处于一些固 定的「能级」，不同的能级对应于不同的电子能 图一碳原子示意图。 量。为了简单起见，我们可以如图一所示，把这 些能级想象成一些绕着原子核的轨道，距离原子核越远的轨道能量越高。此外，不同轨道最多可容纳的电子数目也不同，例如最低的轨道(也是最近原子核的轨道) 最多只可容纳2 个电子，较高的轨道则可容纳8 个电子等等。事实上，这个过份简化了的模型并不是完全正确的[1]，但它足以帮助我们说明激光的基本原理。
交 流 调 速 系 统 第二讲 现代电力电子器件 主讲人: 2***级自动化本 讲课时间:2007年9月12日 主要内容 ? 第二章 现代电力电子技术 ? 2.4 电力电子器件的分类 ? 2.5 电力二极管 ? 2.6半控型器件--晶闸管 ? 2.7 典型全控型器件 ? 2.8 其他新型电力电子器件 2.4 电力电子器件的分类 按照器件能够被控制电路信号所控制的程度，分为以下三类： 2.4.1 半控型器件 通过控制信号可以控制其导通而不能控制其关断.晶闸管（Thyristor ）及其大部分派生器件 器件的关断由其在主电路中承受的电压和电流决定 2.4.2 全控型器件 通过控制信号既可控制其导通又可控制其关断，又称自关断器件 绝缘栅双极晶体管（Insulated-Gate Bipolar Transistor--IGBT ） 电力场效应晶体管（Power MOSFET ，简称为电力MOSFET ） 门极可关断晶闸管（Gate-Turn-Off Thyristor--GTO ） 2.4.3 不可控器件 不能用控制信号来控制其通断，因此也就不需要驱动电路 电力二极管（Power Diode ） 只有两个端子，器件的通和断是由其在主电路中承受的电压和电流决定的 2.4 电力电子器件的分类 按照驱动电路加在器件控制端和公共端之间信号的性质，分为两类： 2.4.4 电流驱动型和电压驱动型 ? 电流驱动型--通过从控制端注入或者抽出电流来实现导通或者关断的控制
?电压驱动型--仅通过在控制端和公共端之间施加一定的电压信号就可实现导通或者关断的控制 电压驱动型器件实际上是通过加在控制端上的电压在器件的两个主电路端子之间产生可控的电场来改变流过器件的电流大小和通断状态，所以又称为场控器件，或场效应器件 2.4 电力电子器件的分类 按照器件内部电子和空穴两种载流子参与导电的情况分为三类： 2.4.5 单极型器件、双极型器件和复合型器件 单极型器件--由一种载流子参与导电的器件 双极型器件--由电子和空穴两种载流子参与导电的器件 复合型器件--由单极型器件和双极型器件集成混合而成的器件 2.5 电力二极管 不可控器件。 Power Diode结构和原理简单，工作可靠，自20世纪50年代初期就获得应用. 快恢复二极管和肖特基二极管，分别在中、高频整流和逆变，以及低压高频整流的场合，具有不可替代的地位 （1）PN结与电力二极管的工作原理 基本结构和工作原理和普通二极管一样，以半导体PN结为基础，由一个面积较大的PN结和两端引线以及封装组成。从外形上看，主要有螺栓型和平板型两种封装 （2）电力二极管的基本特性 ●PN结的单向导电性：PN结的反向截止状态 PN结的反向击穿：有雪崩击穿和齐纳击穿两种形式，可能导致热击穿。 ●PN结的电容效应：PN结的电荷量随外加电压变化而变化，呈现电容效应，称为结电容CJ，又称为 微分电容。 (3) 电力二极管的主要类型 按照正向压降、反向耐压、反向漏电流等性能，特别是反向恢复特性的不同介绍 在应用时，应根据不同场合的不同要求，选择不同类型的电力二极管 性能上的不同是由半导体物理结构和工艺上的差别造成的 ●整流二极管:多用于开关频率不高（1kHz以下）的整流电路中 其反向恢复时间较长，一般在5s以上，这在开关频率不高时并不重要 正向电流定额和反向电压定额可以达到很高，分别可达数千安和数千伏以上 ●快恢复二极管:恢复过程很短特别是反向恢复过程很短（5s以下）的二极管，也简称快速二极管。工 艺上多采用了掺金措施 ●肖特基二极管:以金属和半导体接触形成的势垒为基础的二极管称为肖特基势垒二极管（Schottky Barrier Diode--SBD），简称为肖特基二极管
1.3 半控器件—晶闸管 全称晶体闸流管，又称可控硅整流器（SCR ）。 1、晶闸管的结构与工作原理 晶闸管结构图、双晶体管模型图、工作原理图和符号图如图1所示，晶闸管的管芯是P1N1P2N2四层半导体，形成3个PN 结J1、J2和J3。可等效为PNP 和NPN 两个三极管。 图1 晶闸管结构图、双晶体管模型图、工作原理图和符号图 晶闸管的工作原理是：门极电流I G ↑→I b2↑→I c2(I b1)↑→Ic 1↑→I K ↑，阳极A 、阴极K 饱和导通。 2、晶闸管工作特点是： （1）承受反向电压时，不论门极是否有触发电流，晶闸管都不会导通。 （2）承受正向电压时，仅在门极有触发电流的情况下晶闸管才能开通。 （3）晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用。 （4）要使晶闸管关断，只能使晶闸管的电流降到接近于零的某一数值以下 。 3、晶闸管电流关系 根据晶体管的工作原理和结点电流定律，得： I I I CBO A C 111+=α I I I CBO K C 222+=α I I I G A K += I I I C C A 21+= ) (121CBO2 CBO1G 2A ααα+-++= I I I I （2-1）
阻断状态：I G=0，a1+a2很小。流过晶闸管阳极的漏电流稍大于两个晶体管漏电流之和。 开通状态：若注入触发电流使晶体管的发射极电流增大以致a1+a2趋近于1，则流过晶闸管的电流I A将趋近于无穷大，实现饱和导通，I A实际由外电路决定。 4、闸管静态特性 晶闸管静态V-I特性曲线图如图2所示。 图2 晶闸管静态V-I特性曲线图 （1）正向特性：I G=0时，器件两端施加正向电压，只有很小的正向漏电流，为正向阻断状态。正向电压超过正向转折电压U bo，则漏电流急剧增大，器件开通。随着门极电流幅值的增大，正向转折电压降低。晶闸管本身的压降很小，在1V左右。 （2）反向特性：反向特性类似二极管的反向特性。反向阻断状态时，只有极小的反相漏电流流过。 5、动态特性 晶闸管的开通和关断过程波形如图7所示。