激光倍频实验讲稿汇总
全固体（腔内/腔外）激光倍频实验
一、实验目的和内容
1. 了解全固体激光器的特点， 学习工作物质的入射端面与输出镜构成的谐振腔的激光
器的调节；
2. 掌握“倍频”的概念，了解倍频技术的意义；
3. 基本掌握非线性晶体的长度，有效非线性系数，相位匹配因子对非线性转换效率的
影响规律；
4. 要求学生每人至少调节一次激光器，观察基频光1064nm 的输出情况，理解激光模式
的含义；
5. 调节非线性晶体，观察倍频光532nm 绿光的输出情况。 二、实验原理
非线性光学基础
光与物质相互作用的全过程，可分为光作用于物质，引起物质极化形成极化场以及极化场作为新的辐射源向外辐射光波的两个分过程。
原子是由原子核和核外电子构成。当频率为ω的光入射介质后，引起其中原子的极化，即负电中心相对正电中心发生位移r ，形成电偶极矩
r m e =， （1）
其中，e 是负电中心的电量。我们定义单位体积内原子偶极矩的总和为极化强度矢量P ，
m P N =， （2）
N 是单位体积内的原子数。极化强度矢量和入射场的关系式为
+++=3)3(2)2()1(E E E P χχχ （3）
其中χ（1），χ（2），χ（3），…分别称为线性极化率，二级非线性极化率、三级非线性极化率…，并且χ（1）>>χ（2）>>χ（3）…。在一般情况下，每增加一次极化，χ值减少七八个数量级。由于入射光是变化的，其振幅为E ＝E 0sin ωt ，所以极化强度也是变化的。根据电磁理论，变化的极化场可作为辐射源产生电磁波——新的光波。在入射光的电场比较小时（比原子内的场强还小），χ（2），χ（3）等极小，P 与E 成线性关系为P ＝χ（1）E 。新的光波与入射光具有相同的频率，这就是通常的线性光学现象。但当入射光的电场较强时，不仅有线性现象，而且非线性现象也不同程度地表现出来，新的光波中不仅有入射光波频率，还有二次谐波、三次谐波等频率产生，形成能量转移，这就是所谓的频率变换。这也是为什么在高强度的激光出现以后，非线性光学才得到迅速发展的原因。
二阶非线性光学效应
虽然许多介质都可产生非线性效应，但具有中心结构的某些晶体和各向同性介质（如气体），由于（3）式中的偶级项为零，只含有奇级项（最低为三级），因此要观测二阶非线性效应只能在具有非中心对称的一些晶体中进行，如KDP （或KD*P ）、LiNO 3晶体等等。
现从波的耦合，分析二级非线性效应的产生原理，设有下列两波同时作用于介质：
)z k t ωcos(1111+=A E ， （4） )z k t ωcos(2222+=A E , （5）
介质产生的极化强度应为二列光波的叠加，有
2222111)2()]z k t ωcos()z k t ωcos([+++=A A P χ )z k t ω(cos )z k t ω(cos [2222
21122
1)2(+++=A A χ
)]z k t ωcos()z k t ωcos(2221121+++A A 。 （6）
经推导得出，二级非线性极化波应包含下面几种不同频率成分：
)]z k t ω(2cos[2
112
1)
2(ω21+=A P χ, （7） ()
[]
)(2cos 2
222
2222z k t A P +=
ωχω, （8）
]
)z k k ()t ωωcos[(212121)2(ωω21+++=+A A P χ，
（
9
）
])z k k ()t ωωcos[(212121)2(ωω21-+-=-A A P χ, （10）
）（直流2
2212
A A 2
+=
χP （11）
从以上看出，二级效应中含有基频波的倍频分量（2ω1）、（2ω2）、和频分量（ω1＋ω2）、差频分量（ω1–ω2）和直流分量。故二级效应可用于实现倍频、和频、差频及参量振荡等过程。当只有一种频率为ω的光入射介质时（相当于上式中ω1＝ω2＝ω），那么二级非线性效应就只有除基频外的一种频率（2ω）的光波产生，称为二倍频或二次谐波。在二级非线性效应中，二倍频又是最基本、应用最广泛的一种技术。第一个非线性效应实验，就是在第一台红宝石激光器问世后不久，利用红宝石0.6943μm 激光在石英晶体中观察到紫外倍频激光。后来又有人利用此技术将晶体的1.06μm 红外激光转换成0.53μm 的绿光，从而满足了水下通信和探测等工作对波段的要求。当ω1≠ω2时，产生ω3＝ω1＋ω2的光波叫和频。如入射的光波分别为ω和2ω，和频后得到3ω，3ω＝ω＋2ω（注意，它数值上等于三倍频，但不是三倍频非线性效应过程）。 非线性极化系数
非线性极化系数是决定极化强度大小的一个重要物理量。
在线性关系P ＝χ（1）E 中对各向同性介质，χ（1）是只与外电场大小有关而与方向无关的常量；对各向异性介质，χ(1)不仅与电场大小有关，而且与方向有关。在三维空间里，是个二阶张量，有9个矩阵元d ij ，（i,j=x,y,z ）每个矩阵元称为线性极化系数。 在非线性关系P ＝χ（2）E 2中，χ（2）是三阶张量，在三维直角坐标系中有27（x ，y ，z ） 个分量，鉴于非线性极化系数的对称性，矩阵元减为18 个分量，在倍频情况下
???
??????
?
? ??????? ??=?????? ??y x y z z y z y
x z y x E E E E E E E E E P P P 222d d d d d d 2
22363126211611 ， （12）
P 和E 的下角标x ，y ，z 表示它们在三个不同方向上的分量。鉴于各种非线性晶体都有特殊的对称性，就像晶体的电光系数矩阵一样，有些d ij 为零，有些相等，有些相反。因此无对称中心晶体的d ij ，独立的分量数目仅是有限的几个。例KDP （或KD *P ）晶体，有
?????
?
?=3625140
000000
00000000d d d d ij , （13）
其中d 14＝d 25，在一定条件下，还可以有d 14＝d 36。又如铌酸锂晶体，有
?????
??--=00
0000000
33
31
31
152222
2215d d d d d d d d d ij , （14）
其中d 31＝d 15。查阅有关资料，可得它们的具体数值。实际工作中，我们总是希望
选取d ij 值大，性能稳定又经济实惠的晶体材料。 相位匹配及实现方法
从前面的讨论知道，极化强度与入射光强和非线性极化系数有关，但是否只要入射光足够强，使用非线性极化系数尽量大的晶体，就一定能获得好的倍频效果呢？不是的。这里还有一个重要因素——相位匹配，它起着举足轻重的作用。
实验证明，只有具有特定偏振方向的线偏振光，以某一特定角度入射晶体时，才能获得良好的倍频效果，而以其他角度入射时，则倍频效果很差，甚至完全不出倍频光。根据倍频转换效率的定义
ω
ω
2ηP P =， （15）
经理论推导可得
2ω
22
2)2/()2/(sin ηE L d k L k L ???????∝ （16）
η与L??k/2关系曲线见图1。图中可看出，要获得最大的转换效率，就要使L??k/2＝0，L 是倍频晶体的通光长度，不等于0，故应?k ＝0，（动量守恒定律）即
2
133
11
33
22
11
32102
00n n n c
n c
n c
n c
n c
i
n c k k k k k =?=-
?=-
+
?
==-+=?ωωωωωω
， （17）
即： ωω2n n = （18）
n ω和n 2ω分别为晶体对基频光和倍频光的折射率。也就是只有当基频光和倍频光的折射率相等时，才能产生好的倍频效果，式（18）是提高倍频效率的必要条件，称作相位匹配条件。
由于v ω＝c/n ω，v 2ω＝c/n 2ω，v ω和v 2ω分别是基频光和倍频光在晶体中的传播速度。满足（18）式，就是要求基频光和倍频光在晶体中的传播速度相等。从这里我们可以清楚地看出，所谓相位匹配条件的物理实质就是使基频光在晶体中沿途各点激发的倍频光传播到出射面时，都具有相同的相位，这样可相互干涉增强，从而达到好的倍频效果。否则将会相互削弱，甚至抵消。
实现相位匹配条件的方法。由于一般介质存在正常色散效果，即高频光的折射率大于低频光的折射率，如n 2ω―n ω大约为102数量级，?k ≠0。但对于各向异性晶体，由于存在双折射，我们则可利用不同偏振光间的折射率关系，寻找到相位匹配条件，实现?k ＝0。此方法常用于负单轴晶体，下面以负单轴晶体为例说明。图2中画出了晶体中基频光和倍频光的两种不同偏振态折射率面间的关系。图中实线球面为基频光折射率面，虚线球面为基频光折射率面，球面为o 光折射率面，椭球面为e 光折射率面，z 轴为光轴。
图1 倍频效率与L ??k/2的关系
相对光强
-2π 2π π -π L ??k/2
折射率面的定义：从球心引出的每一条矢径到达面上某点的长度，表示晶体以此矢径为波法线方向的光波的折射率大小。实现相位匹配条件的方法之一是寻找实面和虚面交点位置，从而得到通过此交点的矢径与光轴的夹角。图中看到，基频光中o 光的折射率可以和倍频光中e 光的折射率相等，所以当光波沿着与光轴成θm 角方向传播时，即可实现相位匹配，θm 叫做相位匹配角。
注意，相位匹配角是指在晶体中基频光相对于晶体光轴z 方向的夹角，而不是与入射面法线的夹角。为了减少反射损失和便于调节，实验中一般总希望让基频光正入射晶体表面。所以
加工倍频晶体时，须按一定方向切割晶体，以使晶体法线方向和光轴方向成θm ，见图3。 以上所述，是入射光以一定角度入
射晶体，通过晶体的双折射，由折射率的变化来补偿正常色散而实现相位匹配的，这称为角度相位匹配。角度相位匹配又可分为两类。第一类是入射同一
种线偏振光，负单轴晶体将两个o 光光子转变为一个倍频的e 光光子。第二类是入射光中同时含有o 光和e 光两种线偏振光，负单轴晶体将两个不同的光子变为倍频的e 光光子，正单轴晶体变为一个倍频的o 光光子。见表2
表2 单轴晶体的相位匹配条件
有效非线性系数
从上面的分析可以看出，对于单轴晶体，一种三波互作用可能有无数个匹配角度（因
为只要θm 满足就行），但是考虑非线性转化效率还有另外一个重要影响因子，即有效非线性系数。设入射方向为（θ，?）的一束光注入单轴晶体，因为三波互作用是指两个
图2 负单轴晶体折射率球面
图3 非线性晶体的切割
晶体
图5 基频光与倍频光的脉宽及相对线宽的比较
I ω I 2ω
t 1 t 2 t 1 t t 1′′ t 2′ t 2 t
ν1 ν1′ ν2′ ν2 ν ν 波诱导产生的二阶极化张量
2102E E d P eff ε=,，k j ijk i eff a a d a d =
上面讲过，d ijk 含有18个参数的三行六列矩阵，a i ，a j ，a k 分别是P ，E1 和E2的单位矢量。设Eo 是对应的O 光强度，则O 光在x ，y ，z 轴上的分量分别是Eox=Eosin?，
Eoy=Eocos?，Eoz=0，所以Eo 的单位矢量为????
?
?????=0cos sin φφi a ，同理推出来Ee 的单位矢量为??
??
?
?????=θφθφθsin sin cos cos cos i b 从这里我们就看出，不同类型的单轴晶体，由于相位匹配方式不同，有效非线性系数不同，而且有效非线性系数与入射角度也紧密相关。即d eff 是（θ，?）的函数，d eff 取最大值对应的（θ，?）为最佳相位匹配角度。
表3常用1064nm 倍频晶体的相位匹配参数。（都属于双轴晶体）
相位匹配的方法除了前述的角度匹配外，还有温度匹配，这里不作细述。 我们这里采用的是双轴晶体KTP 和BIBO ，在X,Y ,Z 坐标系中是个双层壳面，它的
解也没有解析表达式。 晶体长度
在影响倍频效率的诸因素中，除前述的比较重要的两方面外，还需考虑到晶体的有
效长度L s 和模式状况。如果晶体过长，例L>L s 时，会造成倍频效率饱和；晶
体过短。例L L s 的大小基本给出了倍频技术中应该使用的晶体长度。模式的不同也影响转换效率，如高阶横模，方向性差，偏离光传播方向的光会偏离相位匹配角。所以在不降低入射光功率的情况下，以选用基横模或低阶横模为宜。 倍频光的脉冲宽度和线宽 通过对倍频光脉冲宽度t和相对线宽v的观测，还可看到两种线宽都比基频光变窄的现象。这是由于倍频光强度与入射基频光强度的平方成正比的缘故。图5中，假设在t＝t0时。基频和倍频光具有相同的极大值。基频光在t1和t1′时，功率为峰值的1/2，脉冲宽度?t1＝t1′―t1，而在相同的时间间隔内，倍频光的功率却为峰值的1/4，倍频光的半值宽度t2′―t2< t1′―t1,即?t2 峰值功率=平均功率*（周期T/脉宽t） 实验装置图1 实验装置图1 实验装置图2 实验操作步骤 腔外倍频激光器 1 启动电源，接通激光器电源，用红外卡片观察1064nm光输出情况。 2测试不同工作电流情况下，1064nm脉冲频率的变化。并分析原因。 3放置聚焦透镜1，用黑纸板观察聚焦长度，找到焦点位置。 4 放置KTP晶体到焦点位置，调整KTP角度，观察相位匹配条件对非线性转化效率的影响。 5 测试绿光的脉冲波形，与1064nm脉冲波形相对比。 5 测试不同长度的倍频晶体，观察转换效率的变化。 腔内倍频激光器 1启动电源，接通激光器电源，观察LD出光情况。调节LD工作电流，记录阈值电流，观察LD从荧光发射到激光发射的转变过程。 2 放置聚焦透镜1，使焦点位于激光晶体的中心，可观测到一条亮的荧光线，荧光线最亮的位置即为吸收效率最高的位置。 3 调整输出镜，使激光器输出1064nm的TEM00模，调节过程中注意观察激光模式的变化。 4 固定输出镜，放置KTP晶体到谐振腔，调整KTP角度，观察相位匹配条件及走离效应对非线性转化效率和光斑的影响。 5线性调节LD的工作电流，测试绿光的输出功率与LD工作电流的关系，应该为二次曲线。 6 测试1064nm基频光及532nm倍频光的偏振特性。 7 对比腔外倍频与腔内倍频激光器在转化效率上有什么不同，为什么？ 实验结果分析与实验报告要求 1 分析实验结果。 2 思考问题： 1)随着泵浦功率的增加，如何判断工作物质的发光从荧光转化成立激光？ 2)欲获得0.35μm的紫外光，为何采用1.06μm和0.53μm和频的方法，而不是 直接用1.06μm光的三倍频方法？ 3)一类相位匹配和二类相比匹配的区别是什么？ 4)如何选择倍频晶体，选择倍频晶体的主要参数有哪些？ 5)设计激光器结构时应注意哪些事项，请从激光器的稳定性角度考虑。 参考资料 1 《激光原理》，沈柯著 2 《固体激光工程》，W.克希耐尔著，孙文等译 3 《激光技术》，蓝信钜著 4 《激光光学》，吕百达著 5 《非线性光学频率变换及激光调谐技术》，姚建铨著 电光调制实验实验报告 【实验目的】 1、掌握晶体电光调制的原理和实验方法 2、学会利用实验装置测量晶体的半波电压，计算晶体的电光系数 3、观察晶体电光效应引起的晶体会聚偏振光的干涉现象 【实验仪器】 铌酸锂晶体，电光调制电源，半导体激光器，偏振器，四分之一波片，接收放大器，双踪示波器 【实验内容及步骤】 一、调整光路系统 1、调节三角导轨底角螺丝，使其稳定于调节台上。在导轨上放置好半导体光源部分滑块，将小孔光栏置于导轨上，在整个导轨上拉动滑块，近场远场都保证整个光路基本处于一条直线，即使光束通过小孔。放上起偏振器，使其表面与激光束垂直，且使光束在元件中心穿过。再放上检偏器，使其表面也与激光束垂直，转动检偏器，使其与起偏器正交，即，使检偏器的主截面与起偏器的主截面垂直，这时光点消失，即所谓的消光状态。 2、将铌酸锂晶体置于导轨上，调节晶体使其x轴在铅直方向，使其通光表面垂直于激光束（这时晶体的光轴与入射方向平行，呈正入射），这时观察晶体前后表面查看光束是否在晶体中 心，若没有，则精细调节晶体的二维调整架，保证使光束都通过晶体，且从晶体出来的反射像与半导体的出射光束重合。 3、拿掉四分之一波片，在晶体盒前端插入毛玻璃片，检偏器后放上像屏。光强调到最大，此时晶体偏压为零。这时可观察到晶体的单轴锥光干涉图，即一个清楚的暗字线，它将整个光场分成均匀的四瓣，如果不均匀可调节晶体上的调整架。如图四所示 4、旋转起偏器和检偏器，使其两个相互平行，此时所出现的单轴锥光图与偏振片垂直时是互补的。如图五所示图四图五 6、晶体加上偏压时呈现双轴锥光干涉图，说明单轴晶体在电场作用下变成双轴晶体，即电致双折射。如图六所示 7、改变晶体所加偏压极性，锥光图旋转90度。如图七所示图六图七8 只改变偏压大小时，干涉图形不旋转，只是双曲线分开的距离发生变化。这一现象说明，外加电场只改变感应主轴方向的主折射率的大小、折射率椭球旋转的角度和电场大小无关。 二、依据晶体的透过率曲线(即T-V曲线)，选择工作点。测出半波电压，算出电光系数，并和理论值比较。我们用两种测量方法： 1、极值法晶体上只加直流电压，不加交流信号，并把直流偏压从小到大逐渐改变时，示波器上可看到输出光强出现极小值和极大值。 广东第二师范学院学生实验报告 院（系）名称物理系班 别11物理 本四B 姓名 专业名称物理教育学号 实验课程名称近代物理实验（2） 实验项目名称电光调制实验 实验时间2014年12月 18日实验地点物理楼五楼 实验成绩指导老师签名 内容包含：实验目的、实验使用仪器与材料、实验步骤、实验数据整理与归纳（数据、图表、计算等）、实验 结果与分析、实验心得 【实验目的】 1. 掌握晶体电光调制的原理和实验方法 2. 学会利用实验装置测量晶体的半波电压，计算晶体的电光系数 3. 观察晶体电光效应引起的晶体会聚偏振光的干涉现象 【实验仪器】 铌酸锂晶体，电光调制电源，半导体激光器，偏振器，四分之一波片，接收放大器，双踪示波器 【实验内容及步骤】 一、调整光路系统 1. 调节三角导轨底角螺丝，使其稳定于调节台上。在导轨上放置好半导体光源部分滑块，将小孔光栏置于导轨上，在整个导轨上拉动滑块，近场远场都保证整个光路基 本处于一条直线，即使光束通过小孔。 放上起偏振器，使其表面与激光束垂直，且使光束在元件中心穿过。再放上检偏器，使其表面也与激光束垂直，转动检偏器，使其与起偏器正交，即，使检偏器的主 截面与起偏器的主截面垂直，这时光点消失，即所谓的消光状态。 2. 将铌酸锂晶体置于导轨上，调节晶体使其x轴在铅直方向，使其通光表面垂直于激光束（这时晶体的光轴与入射方向平行，呈正入射），这时观察晶体前后表面查看 光束是否在晶体中心，若没有，则精细调节晶体的二维调整架，保证使光束都通过晶体，且从晶体出来的反射像与半导体的出射光束重合。 3. 拿掉四分之一波片，在晶体盒前端插入毛玻璃片，检偏器后放上像屏。光强调到 最大，此时晶体偏压为零。这时可观察到晶体的单轴锥光干涉图，即一个清楚的暗十字线，它将整个光场分成均匀的四瓣，如果不均匀可调节晶体上的调整架。如图四所示 4. 旋转起偏器和检偏器，使其两个相互平行，此时所出现的单轴锥光图与偏振片垂 声光调Q倍频YAG激光器实验声光调制器由石英晶体、铌酸锂或重火石玻璃作为声光介质，通过压电晶体电声转换器将超声波耦合，在声光介质中产生超声波光栅，介质的折射率被周期性调制形成折射率体光栅。在腔内采用该技术，可将连续的1064nm基频光变换成10KHz的高重复率脉冲激光，由于具有重复频率和峰值功率高的特点，可获得高平均功率的倍频绿光输出。 【实验目的】 （1）掌握声光调Q连续激光器及其倍频的工作原理； （2）学习声光调Q倍频激光器的调整方法； （3）了解声光调Q固体激光器的静态和动态特性，并掌握测试方法；（4）学习倍频激光器的调整方法。【实验原理】 【实验原理】 声光调Q倍频连续YAG激光器的工作原理 （1）声光调Q基本原理： 图1 声光调制器工作原理 声光调制器是由石英晶体、铌酸锂、或重火石玻璃做为声光介质，通过电声换能器（压电晶体）将超声波耦合进去，在声光介质中产生超声波光栅。超声波光栅将介质的折射率进行周期性调制，从而进一步形成折射率体光栅。如图1所示。光栅公式如下式 （1） 式（1）中，是声光介质中的超声波波长，为布拉格衍射角，为入射光波波长，n为声光介质的折射率。当入射光以布拉格角入射时，出射光将被介质中的体光栅衍射到一级衍射最大方向上。利用声光介质的这种性质，可以对激光谐振腔内的光束方向进行调制。当加入声光调制信号时，光束偏转出腔外，不能在腔内形成振荡，即此时为高损耗腔。在此期间泵浦灯注入给激活介质（激光晶体）的能量储存在激光上能级，形成高反转粒子数。当去掉声光调制信号时，光束不被偏转，在腔内往返，形成激光振荡。由于前面积累的高反转粒子数远远超过激光阈值，所以瞬时形成脉冲激光输出，从而形 CO2激光焊接成形实验报告 1.实验目的 (1)了解激光焊接热导焊和深熔焊两种焊接模式的原理，特别要掌握激光深熔焊的原理。 (2)了解激光焊接工艺参数对焊缝成形的影响规律，利用实验方法获得焦点位置、激光功率 和焊接速度等对激光焊接焊缝成形的影响规律。 (3)测定焦点位置对激光焊接熔化效率的影响曲线。 2.实验内容 (1)学习并掌握激光深熔焊接的原理，主要包括小孔的形成、等离子体的产生和对焊接过程 的影响，以及激光深熔焊接的焊缝成形特征。 (2)利用2kW光纤激光器焊接低碳钢样品，焊后制备焊接横断面的金相试样，用光学显微 镜观察并记录不同焊接工艺条件下焊缝成形的特点，测试焊缝熔深和焊缝宽度随焦点位置、激光功率和焊接速度的变化规律。 (3)测量焊缝断面面积，得到焦点位置对激光焊接熔化效率的影响。 3.实验原理 激光焊接是一种利用高能量密度的激光束进行材料连接成形的方法。激光束经聚焦后可达到极高的功率密度，比常规热源的功率密度至少要高出两个数量级，因此激光可以熔化甚至汽化任何材料，可进行局部区域的微细焊接；焊接过程输入的线能量小，因此热影响区和热变形均很小；焊接速度高，可大大提高生产效率；光束易于传输，容易实现焊接自动化。 激光焊接系统一般由激光器、光路传输和聚焦系统、工作台组成。常用的大功率激光器主要有两类，一种是以CO2气体作为工作物质的激光器，称CO2激光器，可以输出10.6μm 波长的连续或脉冲激光；另一种是以掺钕钇铝石榴石晶体为工作物质的固体激光器，简称Nd:YAG或YAG激光器，可以输出1.06μm波长的连续或脉冲激光。 激光焊接可以两种模式进行，一种是基于小孔效应的激光深熔焊，另外是基于热传导方式的激光热导焊。激光深熔焊的原理如下：当功率密度高于5×105W/cm2的激光束照射在金属材料表面时，材料产生蒸发并形成小孔。深熔焊过程产生的金属蒸汽和保护气体，在激光作用下发生电离，从而在小孔内部和上方形成等离子体，这个充满金属蒸汽和等离子体的小孔就像一个黑体，入射激光进入小孔后经小孔壁的多次反射吸收后可达到90%以上的激光能量被小孔吸收，小孔周围的金属就是被小孔臂传递的能量所熔化。随着光束的移动，小孔前壁的液态金属材料被连续蒸发，小孔就以一种动态平衡的状态向前移动，包围小孔的熔融金属沿小孔周围向后流动，随后冷却并凝固形成焊缝。激光热导焊则是在功率密度低于5×105W/cm2下，基于热传导的焊接方法。由于通常情况下金属对激光的反射率较高，因此这种焊接方法获得的焊缝熔深很小。 在激光焊接中，激光功率、焊接速度和焦点位置是影响焊缝成形的主要参数，另外保护气体种类和流量也对焊缝成形产生重要影响。焦点位置是指光束焦点距工件表面的相对距离，定义焦点在工件表面以下为正（称入焦），反之为负（称离焦）。 焊缝成形参数主要包括熔深和焊缝宽度，激光焊接时，在同样的激光功率和焊接速度下，不同的焦点位置会影响聚焦光斑大小，从而影响作用在工件表面的激光功率密度，其结果会形成不同深度的小孔甚至不能形成小孔效应，产生不同熔深的焊缝。激光功率和焊接速度直接影响了输入的线能量，会导致焊缝成形的变化。 课程设计实验报告 -----物联网实验 学院：电子工程学院班级：2011211204 指导老师：赵同刚 一．物联网概念 物联网是新一代信息技术的重要组成部分。物联网的英文名称叫“The Internet of things”。顾名思义，物联网就是“物物相连的互联网”。这有两层意思：第一，物联网的核心和基础仍然是互联网，是在互联网的基础上延伸和扩展的网络；第二，其用户端延伸和扩展到了任何物体与物体之间，进行信息交换和通信。因此，物联网的定义是：通过射频识别（RFID）、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，把任何物体与互联网相连接，进行信息交换和通信，以实现对物体的智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。 二．物联网作用 现有成熟的主要应用包括： —检测、捕捉和识别人脸，感知人的身份； —分析运动目标（人和物）的行为，防范周界入侵； —感知人的流动，用于客流统计和分析、娱乐场所等公共场合逗留人数预警； —感知人或者物的消失、出现，用于财产保全、可疑遗留物识别等； —感知和捕捉运动中的车牌，用于非法占用公交车道的车辆车牌捕捉； —感知人群聚集状态、驾驶疲劳状态、烟雾现象等各类信息。 三．物联网无线传感（ZigBee）感知系统 ZigBee是一种新兴的短距离、低功耗、低数据速率、低成本、低复杂度的无线网络技术。ZigBee在整个协议栈中处于网络层的位置，其下是由IEEE 802.15.4规范实现PHY（物理层）和MAC（媒体访问控制层），对上ZigBee提供了应用层接口。 ZigBee可以组成星形、网状、树形的网络拓扑，可用于无线传感器网络（WSN）的组网以及其他无线应用。ZigBee工作于2.4 GHz的免执照频段，可以容纳高达65 000个节点。这些节点的功耗很低，单靠2节5号电池就可以维持工作6～24个月。除此之外，它还具有很高的可靠性和安全性。这些优点使基于ZigBee的WSN广泛应用于工业控制、消费性电子设备、汽车自动化、家庭和楼宇自动化、医用设备控制等。 ZigBee的基础是IEEE802.15.4，这是IEEE无线个人区域网工作组的一项标准，被称作IEEE802.15.4(ZigBee)技术标准。ZigBee不仅只是802.15.4的名字。IEEE仅处理低级MAC Nd:YAG 激光倍频特性 实验目的：1. 了解二次非线性光学效应 2. 了解二倍频晶体中相位匹配 实验原理： 当强光与物质作用后，表征光学的许多参量如折射率、吸收系数、散射截面等不再是常数，而是一个与入射光有关的变量，相应也出现了在线性光学中观察不到的许多新的光学现象，非线性光学的产生与研究大大加深了我们对光与物质相互作用本质的认识，同时也具有极其重要的实用价值。 1. 光学倍频 光学倍频又称二次谐波，指在非线性介质中传播频率为ν的激光，其中一部分能量转换到频率为2ν的光波中去，使在介质中传播的有频率为ν和2ν两种光波。 从量化概念来说，这相当于两个光子在非线性介质内发生湮灭，并产生倍频光子的现象。在倍频过程中满足能量守恒何动量守恒定律。 2. 二次谐波的效率 由基波的能量（功率）转换成二次谐波的能量（功率）的比值，反映了介质的二次谐波效率，为： ωωηI I 2= 常用二次谐波非线性材料有KDP 倍频晶体和KTP 倍频晶体等。KTP 晶体性能优于KDP 晶体，非线性系数是后者的15倍，光损伤阈值也高（大于400mW/cm 2）。 3. 相位匹配 相位匹配物理实质是：基频光在晶体中沿途各点激发的倍频光，在出射面产生干涉，只有相位匹配时才可干涉增强，达到好的倍频效率。相位匹配要求基频光和倍频光在晶体中的传播速度相等，即折射率相等，对于双折射晶体，基频光在晶体面上的入射则需要一定的角度相位匹配。实验中，KTP 晶体是加工好的，只需垂直晶体面入射即可满足相位匹配条件。 实验装置 1. He-Ne 激光器 2. 小孔光阑 3. 1064nm 全反凹面镜M 1 4. Cr 4+ :YAG 调Q 晶体 5. Nd:YAG 振荡棒 6. 输出镜M 2 7. Nd:YAG 放大棒 8. 平板玻璃 9. 能量计 10. KTP 晶体 图1 实验光路示意图 本实验采用与“Nd:YAG 激光器调Q 激光束放大特性”相同的实验装置，倍频晶体放置于放大级输出端后方。 实验过程 实验中要特别注意眼睛不可直视Y AG 输出激光以及He-Ne 激光，并小心精密操作设备。 1、倍频激光输出调节 （1）按照与前一实验相同步骤调整Nd:Y AG 激光器，放置调Q 晶体，放大级工作开启。 （2）在Nd:Y AG 放大棒后加入KTP 晶体，轻轻转动KTP 角度，使KTP 输出由一弱散斑汇聚成一耀眼亮点，即达到晶体最佳匹配效果。倍频后输出激光为1064nm 和532nm 两 篇一：激光谐振腔与倍频实验 激光谐振腔与倍频实验 a13组 03光信息陆林轩 033012017 实验时间：2006-4-25 [实验目的和内容] 1、学习与掌握工作物质端面呈布儒斯特角的钕玻璃激光器的调节，以获得激光红外输出。 2、掌握腔外倍频技术，并了解倍频技术的意义。 3、观察倍频晶体0.53?m绿色光的输出情况。[实验基本原理] 1、激光谐振腔 光学谐振腔是激光器的重要组成部分，能起延长增益介质的作用（来提高光能密度），同时还能控制光束的传播方向，对输出激光谱线的频率、宽度、和激光输出功率、等都产生很大的影响。 图1 激光谐振腔示意图 （1）组成： 光学谐振腔是由两个光学反射镜面组成、能提供光学正反馈作用的光学装置，如图1所示。两个反射镜可以是平面镜或球面镜，置于激光工作物质两端。两块反射镜之间的距离为腔长。其中一个镜面反射率接近100%，称为全反镜；另一个镜面反射率稍低些，激光由此镜输出，故称输出镜。 （2）工作原理： 谐振腔中包含了能实现粒子数反转的激光工作物质。它们受到激励后，许多原子将跃迁到激发态。但经过激发态寿命时间后又自发跃迁到低能态，放出光子。其中，偏离轴向的光子会很快逸出腔外。只有沿着轴向运动的光子会在谐振腔的两端反射镜之间来回运动而不逸出腔外。这些光子成为引起受激发射的外界光场。促使已实现粒子数反转的工作物质产生同样频率、同样方向、同样偏振状态和同样相位的受激辐射。这种过程在谐振腔轴线方向重复出现，从而使轴向行进的光子数不断增加，最后从部分反射镜中输出。所以，谐振腔是一种正反馈系统或谐振系统，具有很好的准直，选频和放大功能。 （3）种类：图2 谐振腔的种类 按组成谐振腔的两块反射镜的形状以及它们的相对位置，可将光学谐振腔区分为：平行平面腔，平凹腔，对称凹面腔，凸面腔等。平凹腔中如果凹面镜的焦点正好落在平面镜上，则称为半共焦腔；如果凹面镜的球心落在平面镜上，便构成半共心腔。对称凹面腔中两块反射球面镜的曲率半径相同。如果反射镜焦点都位于腔的中点，便称为对称共焦腔。如果两球面镜的球心在腔的中心，称为共心腔。 如果光束在腔内传播任意长时间而不会逸出腔外，则称该腔为稳定腔（满足，否则称为不稳定腔（满足1?g1.g2或0?g1.g2）。上述列举的谐振腔都属0?g1.g2?1） 稳定腔。 （4）本实验中的激光谐振腔： 本实验采用的是外腔式钕玻璃激光器。外腔式激光器的两个反射镜是放在激光棒的外侧，长度可调，频率可变，在激光棒的两侧按一定的角度贴有布儒斯特窗片。由于布儒斯特窗对p 偏振分量具有100%的透过率，从而输出线偏光。 2、激光倍频 (1)非线性光学基础 极化强度矢量和入射长的关系为： p??(1)e??(2)e2??(3)e3??（1） ……分别是线性极化率，二阶非线性极化率，三阶非线性极化率……，?(2) ，?(1)，?(3)，且每加一次极化，?值减小七八个数量级。在入射光场比较小的时候，? 激光焊接实验报告 一、实验目的 1、理解激光焊接的基本原理及特点，熟悉运用激光进行金属焊接的具体过程。 2、观察CO2与YAG 两种激光器的焊接过程，理解其焊接方式的条件及形成机理。 3、掌握激光焊接机床及机械手的基本操作步骤和方法，能够进行简单的焊接操作。 4、掌握金相测量方法，观察和记录焊接实验现象，测量熔深、熔宽，并对焊接结果进行合理分析。 5、了解激光焊接的应用。 二、实验原理 2.1 激光焊接原理 激光焊接采用连续或脉冲激光束实现，激光焊接的原理可分为热传导型焊接和激光深熔焊接。功率密度小于104~105W/cm2为热传导焊，此时熔深浅、焊接速度慢；功率密度大于105 ~107W/cm2时，金属表面受热作用下凹成“孔穴”，形成深熔焊，具有焊接速度快、深宽比大的特点。图1 是CO2 激光器焊接结构图。 图1 CO2激光器焊接结构图 在焊接金属的过程中，随着激光功率密度提高，材料表面会发生一系列变化，其包括表面温度升高、熔化、气化、形成小孔并出现光致等离子体。不同功率密度激光焊接金属材料时的主要过程如图2所示。当激光功率密度小于104W/cm2数量级时，金属吸收激光能量只引起材料表层温度的升高，并没有发生熔化。当功率密度在大于104W/cm2小于106W/cm2数量级围时，金属料表层发生熔化。功率密度达到106W/cm2数量级时，材料表面在激光束的作用下发生气化，在气化反冲压力的作用下，液态熔池向下凹陷形成深熔小孔。同时，伴随有金属蒸汽电离形成光致等离子体的现象。当功率密度大于107W/cm2时，光致等离子体将逆着激光束的入射方向传输，形成等离子体云团，出现等离子体对激光的屏蔽现象。 图2 不同功率密度激光辐照金属材料的主要物理过程 2.2激光焊接模式 根据是否产生小孔效应可以把激光焊接分为两种模式，即热导焊模式和深熔焊模式。 激光拉曼光谱实验报告 摘要：本实验研究了用半导体激光器泵浦的3Nd + ：4YVO 晶体并倍频后得到的532nm 激 光作为激发光源照射液体样品的4CCL 分子而得到的拉曼光谱，谱线很好地吻合了理论分析的4CCL 分子4种振动模式，且频率的实验值与标准值比误差低于2%。又利用偏振片及半波片获得与入射光偏振方向垂直及平行的出射光，确定了各振动的退偏度，分别为、、、，和标准值0和比较偏大。 关键词:拉曼散射、分子振动、退偏 一， 引言 1928年，印度物理学家拉曼（）和克利希南（）实验发现，当光穿过液体苯时被分子散射的光发生频率变化，这种现象称为拉曼散射。几乎与此同时，苏联物理学家兰斯别而格（）和曼杰尔斯达姆（）也在晶体石英样品中发现了类似现象。在散射光谱中，频率与入射光频率0υ相同的成分称为瑞利散射，频率对称分布在0υ两侧的谱线或谱带01υυ±即为拉曼光谱，其中频率较小的成分01υυ-又称为斯托克斯线，频率较大的成分01υυ+又称为反斯托克斯线。这种新的散射谱线与散射体中分子的震动和转动，或晶格的振动等有关。 拉曼效应是单色光与分子或晶体物质作用时产生的一种非弹性散射现象。拉曼谱线的数目，位移的大小，谱线的长度直接与试样分子振动或转动能级有关。因此，与红外吸收光谱类似，对拉曼光谱的研究，也可以得到有关分子振动或转动的信息。目前拉曼光谱分析技术已广泛应用于物质的鉴定，分子结构的研究谱线特征。 20世纪60年代激光的问世促进了拉曼光谱学的发展。由于激光极高的单色亮度，它很快被用到拉曼光谱中作为激发光源。而且基于新激光技术在拉曼光谱学中的使用，发展了共振拉曼、受激拉曼散射和番斯托克斯拉曼散射等新的实验技术和手段。 拉曼光谱分析技术是以拉曼效应为基础建立起来的分子结构表征技术,其信号来源于分子的振动和转动。它提供快速、简单、可重复、且更重要的是无损伤的定性定量分析，无需样品准备，样品可直接通过光纤探头或者通过玻璃、石英、和光纤测量。拉曼光谱的分析方向有定性分析、结构分析和定量分析。 激光谐振腔与倍频实验 A13组03光信息陆林轩033012017 实验时间：2006-4-25 [实验目的和内容] 1、学习与掌握工作物质端面呈布儒斯特角的钕玻璃激光器的调节，以获得激光红外输出。 2、掌握腔外倍频技术，并了解倍频技术的意义。 绿色光的输出情况。 3、观察倍频晶体0.53m [实验基本原理] 1、激光谐振腔 光学谐振腔是激光器的重要组成部分，能起延长增益介质的作用（来提高光能密度），同时还能控制光束的传播方向，对输出激光谱线的频率、宽度、和激光输出功率、等都产生很大的影响。 图1 激光谐振腔示意图 （1）组成： 光学谐振腔是由两个光学反射镜面组成、能提供光学正反馈作用的光学装置，如图1所示。两个反射镜可以是平面镜或球面镜，置于激光工作物质两端。两块反射镜之间的距离为腔长。其中一个镜面反射率接近100%，称为全反镜；另一个镜面反射率稍低些，激光由此镜输出，故称输出镜。 （2）工作原理： 谐振腔中包含了能实现粒子数反转的激光工作物质。它们受到激励后，许多原子将跃迁到激发态。但经过激发态寿命时间后又自发跃迁到低能态，放出光子。其中，偏离轴向的光子会很快逸出腔外。只有沿着轴向运动的光子会在谐振腔的两端反射镜之间来回运动而不逸出腔外。这些光子成为引起受激发射的外界光场。促使已实现粒子数反转的工作物质产生同样频率、同样方向、同样偏振状态和同样相位的受激辐射。这种过程在谐振腔轴线方向重复出现，从而使轴向行进的光子数不断增加，最后从部分反射镜中输出。所以，谐振腔是一种正反馈系统或谐振系统，具有很好的准直，选频和放大功能。 （3）种类： 图2 谐振腔的种类 按组成谐振腔的两块反射镜的形状以及它们的相对位置，可将光学谐振腔区分为：平行平面腔，平凹腔，对称凹面腔，凸面腔等。平凹腔中如果凹面镜的焦点正好落在平面镜上，则称为半共焦腔；如果凹面镜的球心落在平面镜上，便构成半共心腔。对称凹面腔中两块反射球面镜的曲率半径相同。如果反射镜焦点都位于腔的中点，便称为对称共焦腔。如果两球面镜的球心在腔的中心，称为共心腔。 如果光束在腔内传播任意长时间而不会逸出腔外，则称该腔为稳定腔（满足120.1g g <<） ，否则称为不稳定腔（满足12121..g g g g <<或0）。上述列举的谐振腔都属稳定腔。 （4）本实验中的激光谐振腔： 本实验采用的是外腔式钕玻璃激光器。外腔式激光器的两个反射镜是放在激光棒的外侧，长度可调，频率可变，在激光棒的两侧按一定的角度贴有布儒斯特窗片。由于布儒斯特窗对P 偏振分量具有100%的透过率，从而输出线偏光。 2、激光倍频 (1)非线性光学基础 极化强度矢量和入射长的关系为： (1)(2)2(3)3P E E E χχχ=+++ （1） (1)χ，(2)χ ，(3)χ，……分别是线性极化率，二阶非线性极化率，三阶非线性极化率……，且每加一次极化，χ值减小七八个数量级。在入射光场比较小的时候，(2) χ ，(3) χ 等极小， P 与E 成线性关系。当入射光场较强时，体现出非线性。只有在具有非中心对称的晶体中才 可以观测到二阶非线性效应。二阶效应可用于实现倍频、和频、差频和参量震荡过程。其中二倍频技术是最基本，利用最广泛的一种技术。本实验就是要观测倍频技术。 (2)相位匹配及实现方法 除了要光强比较大还要实现相位匹配，才可以获得好的倍频效果。由倍频转换率公式： 文献综述 激光焊接是激光加工材料加工技术应用的重要方面之一。70年代主要用于焊接薄壁材料和低速焊接，焊接过程属于热传导型，即激光辐射加热工件表面，表面热量通过热传导向内部扩散，通过控制激光脉冲的宽度、能量、峰值功率和重复频率等参数，使工件熔化，形成特定的熔池。由于激光焊接作为一种高质量、高精度、低变形、高效率和高速度的焊接方法，它已成功地应用于微小型零件焊接中。 随着高功率CO2和高功率的YAG激光器以及光纤传输技术的完善、金属钼焊接聚束物镜等的研制成功，使其在机械制造、航空航天、汽车工业、粉末冶金、生物医学微电子行业等领域的应用越来越广，开辟了激光焊接的新领域。目前的研究主要集中于C02激光和YAG激光焊接各种金属材料时的理论，包括激光诱发的等离子体的分光、吸收、散射特性以及激光焊接智能化控制、复合焊接、激光焊接现象及小孔行为、焊接缺陷发生机理与防止方法等，并对镍基耐热合金、铝合金及镁合金的焊接性，焊接现象建模与数值模拟，钢铁材料、铜、铝合金与异种材料的连接，激光接头性能评价等方面做了一定的研究。 所有的研究大大地扩大了其应用的领域范围，主要应用于：制造业应用、粉末冶金领域、汽车工业、电子工业、生物医学、其他领域如对BT20钛合金、HEl30合金、Li-ion电池等激光焊接。 激光焊接主要是通过高能激光脉冲来实现的。激光电源首先把脉冲氙灯点着。激光电源对氙灯脉冲放电，形成一定频率，一定脉宽的光波，该光波经过聚光腔辐射到Nd3+ YAG激光晶体上，激发Nd3+YAG激光晶体发光，再经过激光谐振腔谐振之后，发出波长为1.06um脉冲激光，该脉冲激光经过扩束、反射、聚焦后打在所要焊接的物体上;在计算机系统控制下，移动数控工作台，从而完成焊接。焊接时需要的脉冲激光频率、脉宽、工作台速度、移动方向等通过计算机来控制。通过对机关电源的频率、脉宽的不同设定可调节控制脉冲激光的能量。 这里的脉冲激光焊机主要由激光电源、PC数控系统、光学系统、冷却系统、CCD监视系统及吹起装置等组成。 激光焊接的特点是被焊接工件变形极小，几乎没有连接间隙，焊接深度/宽度比高，因此焊接质量比传统焊接方法高。但是，如何保证激光焊接的质量，也就是激光焊接过程监测与质量控制是一个激光利用领域的重要内容，包括利用电感、电容、声波、光电等各种传感器，通过电子计算机处理，针对不同焊接对象和要求，实现诸如焊缝跟踪、缺陷检测、焊缝质量监测等项目，通过反馈控制调节焊接工艺参数，从而实现自动化激光焊接。在激光焊接中，光束焦点位置是最关键的控制工艺参数之一，在一定激光功率和焊接速度下，只有焦点处于最佳位置范围内才能获得最大熔深和好的焊缝形状。在实际激光焊接中，为了避免和减少影响焦点位置稳定性的因素，需要专门的夹紧和设备技术，这种设备的精确程度与激光焊接的质量高低是相辅相成的。 与其它传统焊接技术相比，激光焊接的主要优点是： （年整理）焊接检测实验报告 班 级 学 号 姓 名 日 期 成 绩 材料科学与工程学院焊接检测与探伤实验室 实验概述： 【实验目的及要求】 一、超声波探伤 1.学习超声波探伤方法并熟悉超声波探伤仪的使用。 2.掌握超声波探伤用DAC曲线的测定方法。 二、目视检测 掌握焊接检验尺在焊缝目视检测中的测量方法三、磁粉探伤 1.理解磁粉探伤的基本原理 2.学习磁轭探伤的操作方法四、射线探伤底片上缺陷的识别 掌握各种焊接缺陷在底片上显示的特点五、渗透探伤 掌握渗透探伤的基本程序和缺陷显示识别【实验原理】 一、超声波探伤实验 本实验采用A型脉冲发射式探伤仪。其原理是，将探头发射出的超声波经耦合剂传到被检工件内，在试件中传播到缺陷时产生反射。由于压电晶片有可逆效应，因此缺陷发射回来的超声波能被探头接受，变为电脉冲，显示在探伤仪的荧光屏上，称为伤脉冲。超声波探伤仪的电路方框图及其工作原理如图1所示。 二、磁粉探伤 磁力探伤是对铁磁材料露在表面或处于近表面的缺陷进行无损探伤的方法。检验时将工件磁化，磁力线通过工件，对于断面尺寸相同，内部组织均匀的工件，磁力线在工件只的分布是均匀的；而对于内部有缺陷的工件，则磁力线因缺陷处的磁阻比工件材料的磁阻大得多而弯曲，于是在缺陷近表面处形成漏磁场如图2所示。这时撒在试件上的磁粉微粒向磁通密度最大处移动，磁粉被吸引在金属内部有缺陷而产生漏磁的地方，故磁粉聚集处即指示缺陷所在。 三、渗透探伤 渗透检测法是利用渗透液的渗透作用检测非多孔性材料表面开口缺陷的无损检测方法。将被探工件浸涂具有高度渗透能力的渗透剂，由于液体的润湿作用和毛细现象，渗透液便渗入工件表面缺陷中。然后将工件缺陷以外的多余渗透液清洗干净，再涂一层吸附力很强的显像剂，缺陷中的渗透液在毛细作用下重新被吸到工件的表面，从而显示出缺陷的形状和位置的鲜明图案，从而达到了无损检测的目的。 【实验设备、仪器、工具等】 接受放大电路扫描电路同步电路发射电路探头缺陷工图2-1超声波探伤仪的电路方框图及其工作原理图接受放大电路扫描电路同步电路发射电路探头缺陷工件图1超声波探伤仪的电路方框图及其工作原理图图1零件表面的漏漏磁图2零件表面的漏磁场漏磁场 1.CTS－22型超声波探伤仪 2.磁轭探伤仪 3.渗透探伤剂 4.RB-2试块 5.CSK－IB试块 6.不同型号超声波探伤探头若干个 7.HJ20型焊接检验尺 8.焊缝射线探伤底片若干片 9.带热裂纹的焊接试样实验内容： 【实验过程】 （实验步骤、记录、数据、） 一、超声波探伤 1．超声波探伤仪的使用调节超声波探伤仪面板各个旋钮的观察其对超声波探伤的影响。 2．直探头超声波探伤的缺陷定位方法将直探头耦合在CSK-Ⅰ试块上，调节 实验12 激光熔覆 一、实验目的 1、熟悉激光熔覆的概念、特性和基本方法； 2、了解激光熔覆所涉及的激光器、加工机床、送粉器和喷嘴； 3、用侧向送粉法在45钢表面进行镍基合金的激光熔覆，优化工艺参数获得良 好的熔覆层； 4、测量熔覆层的尺寸，观察显微组织。 二、实验原理 激光熔覆是指以不同的添料方式在被熔覆基体表面上放置被选择的涂层材料经激光辐照使之和基体表面一薄层同时熔化，并快速凝固后形成稀释度极低，与基体成冶金结合的表面涂层，显著改善基层表面的耐磨、耐蚀、耐热、抗氧化及电气特性的工艺方法，从而达到表面改性或修复的目的，既满足了对材料表面特定性能的要求，又节约了大量的贵重元素。 与堆焊、喷涂、电镀和气相沉积相比，激光熔覆具有稀释度小、组织致密、涂层与基体结合好、适合熔覆材料多、粒度及含量变化大等特点，因此激光熔覆技术应用前景十分广阔。 熔覆材料：目前应用广泛的激光熔覆材料主要有：镍基、钴基、铁基合金、碳化钨复合材料。其中，又以镍基材料应用最多，与钴基材料相比，其价格便宜。工艺设备原理 熔覆工艺：激光熔覆按熔覆材料的供给方式大概可分为两大类，即预置式激光熔覆和同步式激光熔覆。预置式激光熔覆是将熔覆材料事先置于基材表面的熔覆部位，然后采用激光束辐照扫描熔化，熔覆材料以粉、丝、板的形式加入，其中以粉末的形式最为常用。同步式激光熔覆则是将熔覆材料直接送入激光束中，使供料和熔覆同时完成。熔覆材料主要也是以粉末的形式送入，有的也采用线材或板材进行同步送料。 预置式激光熔覆的主要工艺流程为：基材熔覆表面预处理---预置熔覆材料--- 预热---激光熔化---后热处理。 同步式激光熔覆的主要工艺流程为：基材熔覆表面预处理---送料激光熔化---后热处理。 按工艺流程，与激光熔覆相关的工艺主要是基材表面预处理方法、熔覆材料的供料方法、预热和后热处理。 三、实验设备 YLS-2000（IPG）光纤激光器、45钢板材（40╳60╳15），Ni基合金粉末。 四、实验步骤 1.预先准备好的45钢试样表面用酒精和丙酮清洗干净，用电吹风机吹干备用； 2.在激光加工工作头上安装反射聚焦工作头，接通电源，调节送粉嘴的位置； 在送粉器中加入适量的NiCrSiB合金粉末； 3.将试样平放在工作太平面上； 4.启动数控机床，移动激光工作头至试样上面，调节Z轴高度使喷嘴离试样距 离约为1.5mm； 5.启动激光器； 6.改变激光功率1000-2000W，改变扫描速度2-7mm/s，改变送粉速度6-13g/s， 进行送粉激光熔覆实验，得到不同结果的激光熔覆层；观察实验过程中的实验现象； 7.关闭激光器，关闭水冷机组，关闭数控机床；清理送粉器中的残留粉末；关 闭送粉器电源； 8.待试样冷却后用游标卡尺测量各种熔覆层的高度和宽度，观察记录熔覆层的 外观形貌； 9.观察描画相近工艺参数处理的试样快熔覆层的显微组织。 五、实验数据处理及分析 1.功率对熔覆层外观形貌的影响 磁光调制实验报告 课程：_____光电子实验_____ 学号： 姓名： 专业：信息工程 南京大学工程管理学院 磁光调制实验报告 一、实验目的 1 观察磁光调制现象 2 测量调制深度与调制角幅度 3测定旋光角与外加磁场的关系 4 测量直流磁场对磁光介质的影响 5 磁光调制与光通讯实验演示 二、实验原理 1 磁光效应 当平面偏振光穿透某种介质时，若在沿平行于光的传播方向施加一磁场，光波的偏振面会发生旋转，实验表明其旋转角θ正比于外加的磁场强度B，这种现象称为法拉第（Faraday）效应，也称磁致旋光效应，简称磁光效应，即： θ (1) = vlB 式中l为光波在介质中的路径，ν为表征磁致旋光效应特征的比例系数，称为维尔德（Verdet）常数。由于磁致旋光的偏振方向会使反射光引起的旋角加倍，而与光的传播方向无关，利用这一特性在激光技术中可制成具有光调制、光开关、光隔离、光偏转等功能性磁光器件，其中磁光调制为其最典型的一种。 图1 磁光效应示意图 如图1所示，在磁光介质的外围加一个励磁线圈就构成基本的磁光调制器件。 2 直流磁光调制 当线偏振光平行于外磁场入射磁光介质的表面时，偏振光的光强I可以分解成如图2所示的左旋圆偏振光I L和右旋圆偏振光I R（两者旋转方向相反）。由于介质对两者具有不同的折射率n L和n R，当它们穿过厚度为l的介质后分别产生不同的相位差，体现在角位移上有： l n L L λπ θ2= l n R R λ πθ2= 式中λ为光波波长 因θθθθ+=-R L ()()l n n R L R L ?-=-= λ πθθθ221 ( 2 ) 如折射率差()R L n n -正比于磁场强度B ，即可得（1）式，并由θ值与测得的B 与l 求出威德尔常数υ。 图2 入射光偏振面的旋转运动 3 交流磁光调制 用一交流电信号对励磁线圈进行激励，使其对介质产生一交变磁场，就组成了交流（信号）磁光调制器（此时的励磁线圈称为调制线圈），在线圈未通电流并且不计光损耗的情况下，设起偏器P 的线偏振光振幅为A 0，则A 0可分解为 A 0 cos α及A 0 sin α两垂直分量，其中只有平行于P 平面的A 0 cos α分量才能通过检偏器，故有输出光强 αα2020cos )cos (I A I == （马吕斯定律） 其中200A I =为其振幅。 式中α为起偏器P 与检偏器A 主截面之间的夹角，I 0为光强的幅值，当线圈通以交流电信号i=i 0 sin ωt 时，设调制线圈产生的磁场为B=B 0 sin ωt ，则介质相应地会产生旋转角θ=θ0 sin ωt ，则从检偏器输出的光强为： [][])sin (2cos 12 )(2cos 12)(cos 000 20t I I I I ωθαθαθα++=++= += （3） 倍频激光器的原理 激光 激光是受激辐射光的简称，其原理是： 当原子系统受到外来光子作用下，且外来光子能量刚好是原子系统某两个高低能级的能量差，即hv21=E2-E1时，则处于高能级E2的粒子可能会在这个光子的诱发下，而跃迁到低能级 E1并发射一个与原外来光一模一样的光子，这种过程称之为光的受激辐射。受激辐射产生的光就叫做激光。 激光器 要使受激辐射起主要作用而产生激光，必须满足三个前提条件： 1.有提供放大作用的增益介质作为激光工作物质，（YAG激光器采用掺钕离子的钇铝石榴石 制成的晶体棒）。 2.有外界激励能源，使介质上下能级产生粒子数反转分布。（YAG激光器，采用氪灯或氙灯 或半导体激光二极管泵浦，即用光轰击YAG晶体使其中的Nd3+产生粒子数反转分布，聚光腔起辅助作用，目的是使灯发出的光尽可能多的反射或散射到YAG晶体上）。 3.有激光谐振腔，使受激辐射光在谐振腔中产生震荡，（最简单常见的是由一块半反镜， 一块全反镜构成，激光由半反镜输出）。 谐振腔相当于激光器的正反馈，没有谐振腔即是一个光放大器，引进谐振腔而使放大光产生振荡形成激光振荡器，成为激光器。 因此，一个完整的激光器应包括：工作物质、外界激励能源、谐振腔。 YAG激光器 YAG激光器是固体激光器的一种，它的工作物质是掺钕钇铝石榴石晶体（YAG），即简称YAG激光器。 泵浦源 泵浦源是为工作物质提供能量，使工作物质内原子产生受激辐射从而产生激光。 YAG激光器的泵浦源一般采用椭圆柱腔，氪灯和激光棒分别置于椭圆柱腔的两个焦点轴上，因椭圆的一个焦点（如氪灯）发出的光经一次反射或直射可达另一个焦点上（激光棒），所以，这种结构可以将氪灯发出的光尽可能多的汇聚在激光棒上。 不同的激光有不同的泵浦源。 倍频绿激光 YAG激光器产生的激光的波长为1064nm，其波长比红色光的波长还要长，位于可见光范 激光脉冲测距实验 1.实验目的 通过学习激光脉冲测距的工作原理；了解激光脉冲测距系统的组成；搭建室内模拟激光脉冲测距系统进行正确测距，为今后的工程设计奠定理论基础和工程实践基础。 2.实验原理 激光脉冲测距与雷达测距在原理上是完全相同的，如图2.1所示。 在测距点激光发射机发射激光脉冲，光脉冲经过光纤到达接收端，并被测距机上的探测系统接收。测出从激光发射时刻到被接收时刻之间的时间间隔t，根据已知光速，即可求出光纤的长度R为 R=/2 (2-1) 式中c为光速。真空中的光速是一个精确的物理常数 C1=299792458 m/s 光纤中的平均折射率n为 n=1.000275266 故光纤中的光速为 C=299710000 可见，激光测距的任务就是准确地测定时间间隔t。当不考虑光纤中光速的微小变化时，测距精度⊿R主要是由测时精度⊿t确定的 ⊿R=C⊿t/2 (2-2) 实际脉冲激光测距机中是利用时钟晶体振荡器和脉冲计数器来测定时间间隔 t的。时钟晶体振荡器用于产生固定的频率的电脉冲振荡，脉冲计数器的作用是对晶体产生的电脉冲个数进行计数。设晶体振荡器产生的电脉冲频率为f，则脉冲间隔T=1/f。若从激光脉冲发出时刻脉冲计数器开始计数，到光脉冲被接收时刻停止计数。设这段时间内脉冲计数器共计得脉冲个数为m，则可计算出被测光纤的长度为 R=1/2cmT=cm/f=1.6m (2-3) 相应的测距精度为 ⊿R =1/2Ct=c/(2f) (2-4) 可见，脉冲激光测距机的测距精度由晶振的频率决定。常用军用激光测距仪的晶振频率有15MHz、30MHz、75MHz和150MHz等，与其相对应的测距精度分别为正负10m、正负5m 、正负2m和正负1m。晶振的频率愈高，测距精度就愈高， 但随之而来的，不仅是计数器的技术难度增加，而且要求激光脉冲的宽度愈窄，激光器的难度也增加。 对脉冲测距系统，计数器的“开门”信号是由取出一小部分发射激光脉冲经光探测器转换成 电子焊接实验报告 实验名称：电工电子焊接试验学院：电子与控制工程学院 专业：电气工程及其自动化 班级： 学号： 姓名： 指导老师：郭老师张老师 实验成绩: 2011年6月 目录 收音机部分 (3) 一、学习内容及目的 (3) 二、实习目的 (3) 三、实习器材介绍 (4) 四、实验原理 (4) 五、实习步骤 (8) 六、电路调试 (8) 七、注意事项 (8) 八、体会心得 (9) 直流稳压电源部分 (9) 一、实验目的 (9) 二、电路原理 (9) 三、焊接与安装 (10) 四、测试与调整 (11) 五、安装提示示 (11) 六、注意事项 (12) 七、心得体会 (12) 收音机焊接部分 一学习内容及目的： (1) 学习识别简单的电子元件与电子线路； (2) 学习并掌握收音机的工作原理； 实验原理图 (3) 按照图纸焊接元件，组装一台收音机，并掌握其调试方法。 二、实习目的： 1.熟悉手工焊锡的常用工具的使用及其维护与修理。 2.基本掌握手工电烙铁的焊接技术，能够独立的完成简单电子产品的安装与焊接。熟悉电子产品的安装工艺的生产流程。 3.熟悉印制电路板设计的步骤和方法，熟悉手工制作印制电板的工艺流程，能够根据电路原理图，元器件实物设计并制作印制电路板。熟悉常用电子器件的类别、型号、规格、性能及其使用范围，能查阅有关的电子器件图书。 4.能够正确识别和选用常用的电子器件，并且能够熟练使用万能表。 5.了解电子产品的焊接、调试与维修方法。 三、实习器材介绍： (1) 电烙铁：由于焊接的元件多，所以使用的是外热式电烙铁，功率为30 w，烙铁头是铜制。 (2) 螺丝刀、镊子等必备工具。 (3)松香和锡，由于锡它的熔点低，焊接时，焊锡能迅速散步在金属表面焊接牢固，焊点光亮美观。 (4) 两节5号电池。 四、实验原理： ZX-921型收音机是由8个三极管和2个二极管组成的，其中BG1为变频三极管，BG2、BG3为中频放大三极管，BG4为检波三极管，BG5、BG6组成阻容耦合式前置低频放大器，BG7、BG8组成变压器耦合推挽低频功率放大器。该机的主要技术指标为： 频率范围：中波530～1605kHz 中频：465kHz 灵敏度：小于lmV／m 选择性：大于16dB 光电工程学院 2013 / 2014学年第 2 学期 实验报告 课程名称：光电子基础实验 实验名称：电光调制实验 班级学号 1213032809 学生姓名丁毅 指导教师孙晓芸 日期：2014年 5 月07 日 电光调制实验 【实验目的】 1、掌握晶体电光调制的原理和实验方法； 2、学会用实验装置测量晶体的半波电压，绘制晶体特性曲线，计算电光晶体的消光比和透射 率。 【实验仪器及装置】 电光调制实验仪（半导体激光器、起偏器、电光晶体、检偏器、光电接收组件等）、示波器。 实验系统由光路与电路两大单元组成，如图3.1所示： 图3.1 电光调制实验系统结构 一、光路系统 由激光管（L）、起偏器(P)、电光晶体(LN)、检偏器(A)与光电接收组件(R)以及附加的减光器(P1)和λ/4波片(P2)等组装在精密光具座上，组成电光调制器的光路系统。 注：?本系统仅提供半导体激光管(包括电源)作为光源，如使用氦氖激光管或其他激光源时，需另加与其配套的电源。 ?激光强度可由半导体激光器后背的电位器加以调节，故本系统 未提供减光器(P 1 )。 ?本系统未提供λ/4波片(P 2 )即可进行实验，如有必要可自行配置。 二、电路系统 除光电转换接收部件外，其余包括激光电源、晶体偏置高压电源、交流调制信号发生、偏压与光电流指示表等电路单元均组装在同一主控单元之中。 图3.2 电路主控单元前面板 图3.2为电路单元的仪器面板图，其中各控制部件的作用如下： ?电源开关用于控制主电源，接通时开关指示灯亮，同时对半导体激光器供电。 ?晶体偏压开关用于控制电光晶体的直流电场。（仅在打开电源开关后有效） ?偏压调节旋钮调节直流偏置电压，用以改变晶体外加直流电场的大小。 ?偏压极性开关改变晶体的直流电场极性。 ?偏压指示数字显示晶体的直流偏置电压。 ?指示方式开关用于保持光强与偏压指示值，以便于读数。 ?调制加载开关用于对电光晶体施加内部的交流调制信号。（内置1KHz的正弦波） ?外调输入插座用于对电光晶体施加外接的调制信号的插座。（插入外来信号时内置信号自动断开） ?调制幅度旋钮用于调节交流调制信号的幅度。 ?调制监视插座将调制信号输出送到示波器显示的插座。 ?解调监视插座将光电接收放大后的信号输出到示波器显示的插座，可与调制信号进行比较。 ?光强指示数字显示经光电转换后的光电流相对值，可反映接收光强大小。?解调幅度旋钮用于调节解调监视或解调输出信号的幅度。电光调制实验实验报告
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