本發(fā)明屬于激光，涉及一種測試激光電池陣列芯片的系統(tǒng)裝置及方法。

背景技術(shù)：

1、高能激光可作為遠距離無線能量傳輸?shù)募夹g(shù)，被視為未來高科技領(lǐng)域競爭的制高點和顛覆性創(chuàng)新領(lǐng)域，不僅有望為我國的空天裝備（如空天無人機、在軌衛(wèi)星、深空探測器、月球基站及太空天梯等）提供無線電力傳輸，還能夠解決深海、火災(zāi)、爆炸、超高壓和強磁等極端苛刻場景下的電能供應(yīng)等重大工程難題，具有重要的國防和社會經(jīng)濟價值。

2、激光無線能量傳輸技術(shù)原理是基于光電效應(yīng)將高能激光輻射直接轉(zhuǎn)化為電能，基于集成電路工藝制造的激光能量轉(zhuǎn)換電池芯片（電池陣列芯片）作為整個系統(tǒng)的核心元件，其性能表現(xiàn)直接決定了整個系統(tǒng)的能量傳輸效率和穩(wěn)定性。通過特殊結(jié)構(gòu)設(shè)計的激光電池芯片，能夠?qū)⒏吣芰棵芏鹊募す饽芰恐苯愚D(zhuǎn)換為高壓電能。其在高能激光輻照下的能量轉(zhuǎn)換效率、電流-電壓（i-v）輸出特性以及對激光能量輸入的響應(yīng)時間等是衡量激光電池芯片性能的關(guān)鍵指標。

3、通過對激光電池芯片的測試可以幫助準確了解激光電池芯片的性能特點，從而能夠為激光電池芯片的設(shè)計和優(yōu)化提供重要的科學(xué)依據(jù)，可以選擇最佳的電池方案，提高激光電池芯片的轉(zhuǎn)換效率。此外，通過對激光電池芯片iv特性曲線進行分析，可以及時發(fā)現(xiàn)和解決電池芯片制造過程中的問題，為制造符合要求的激光電池芯片提供保障。因此，精確表征激光電池芯片在高能激光輻照下的能量轉(zhuǎn)換效率和能量輸出特性等性能表現(xiàn)，是實現(xiàn)高性能激光能量轉(zhuǎn)換芯片電池設(shè)計及應(yīng)用的技術(shù)關(guān)鍵。

4、現(xiàn)有技術(shù)中，具有借鑒意義的方案是太陽能電池的i-v測試系統(tǒng)。太陽電池i-v測試的原理和解決方案如下：在標準太陽光輻照下，利用四象限源表和可變電子負載對太陽電池進行電壓-電流（i-v）掃描，從零電壓逐漸增加到一定的電壓值，然后再逐漸減小到零電壓，最后再增加到負電壓。通過測量在每一個電壓點上的電流和電壓值，得到i-v特性曲線。根據(jù)測得的電流和電壓值，計算太陽電池的關(guān)鍵參數(shù)，如開路電壓、短路電流、最大功率點和能量轉(zhuǎn)換效率。

5、盡管太陽電池i-v測試與激光電池芯片的i-v測試原理類似，但是具體面臨的測試需求以及需要解決的測試問題卻是大不相同的。例如，太陽電池i-v測試中使用的是標準的均勻分布的太陽光（屬于連續(xù)寬波），而激光電池芯片測試中使用的是高能激光（屬于單波），其是典型的高斯光束，而且，相關(guān)測試程序和信號電路都不相同，從而導(dǎo)致了現(xiàn)有的太陽電池測試系統(tǒng)無法直接用于激光電池芯片的測試表征。

6、鑒于國內(nèi)激光無線能量傳輸技術(shù)尚處于零散和起步階段，激光能量轉(zhuǎn)換及其相關(guān)表征技術(shù)仍存在不足，特別是缺乏成熟的表征系統(tǒng)和評價標準。市場上也缺乏專門針對激光電池芯片進行有效性能表征測試的儀器。因此，有必要研究并開發(fā)出一種能滿足激光電池芯片的多種測試需求，尤其是能實現(xiàn)并精準測試，且尤其能實現(xiàn)對高功率密度激光能量轉(zhuǎn)換電池芯片精確測試的相關(guān)方案，為推動激光無線能量傳輸技術(shù)的發(fā)展提供支持。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、鑒于現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明的目的在于提供一種測試激光電池陣列芯片的系統(tǒng)裝置及方法，通過系統(tǒng)化的裝置實現(xiàn)激光電池陣列芯片的多種測試需要，并能實現(xiàn)高功率密度激光能量轉(zhuǎn)換電池陣列芯片精確測試。

2、為達到此目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

3、第一方面，本發(fā)明提供了一種測試激光電池陣列芯片的系統(tǒng)裝置，包括：

4、激光單元，包括激光器；

5、檢測單元，包括探針、源表、示波器及電子負載；所述探針切換式地與所述源表、示波器及電子負載形成電性連接；

6、控制單元，包括信號同步控制與觸發(fā)模塊，與所述激光單元及所述檢測單元形成電性連接，用于實現(xiàn)所述激光單元與所述檢測單元的協(xié)同工作；

7、處理單元，包括數(shù)據(jù)計算與存儲模塊，與所述控制單元形成電性連接。

8、本發(fā)明提出的對激光能量轉(zhuǎn)換電池陣列芯片的測試系統(tǒng)裝置能夠準確對高功率密度激光能量轉(zhuǎn)換電池陣列芯片進行輸出電壓-電流（i-v）掃描，通過探針在源表、示波器及電子負載之間切換連接，形成不同的測試線路獲得多種測試功能，通過信號同步控制與觸發(fā)模塊實現(xiàn)激光器及源表等設(shè)備的信號同步與觸發(fā)，使得各個設(shè)備之間能自動化地協(xié)同配合與工作，從而獲得激光能量轉(zhuǎn)換電池陣列芯片的i-v輸出特性曲線和電池陣列芯片對激光的響應(yīng)時間及電池性能衰減等數(shù)據(jù)，并能通過處理單元對獲得數(shù)據(jù)進行計算處理與存儲，從而為激光電池陣列芯片結(jié)構(gòu)設(shè)計提供理論數(shù)據(jù)支撐，為激光無線能量傳輸技術(shù)的發(fā)展提供表征儀器裝備。

9、本發(fā)明利用所述信號同步控制與觸發(fā)模塊實現(xiàn)所述系統(tǒng)裝置的信號同步控制觸發(fā)技術(shù)，旨在實現(xiàn)各個儀器的同步控制與數(shù)據(jù)采集，能夠控制并處理不同時間尺度下各儀表的數(shù)據(jù)采集、記錄和處理（單點采集時間大于0.1s），從而實現(xiàn)精準測量激光電池陣列芯片i-v輸出特性曲線的目的，進而實現(xiàn)激光電池陣列芯片的能量轉(zhuǎn)換效率、輸出特性和脈沖激光瞬態(tài)能量輸入瞬態(tài)電響應(yīng)的精確測量。由于測試系統(tǒng)中的各個儀器中集合了多種不同信號采集傳感器（如溫度傳感器、電壓電流采集傳感器、激光器輸出控制器等），不同儀器及其含有的信號采集傳感器之間的信號采集開始時間尺度不一致，難以實現(xiàn)原位控制與同步測量。因此，本發(fā)明根據(jù)激光電池陣列芯片的輸出特性使用信號同步控制與觸發(fā)模塊（例如可通過fpga電路的開發(fā)與定制得到），實現(xiàn)信號的高速同步觸發(fā)、記錄和采集。

10、以下作為本發(fā)明優(yōu)選的技術(shù)方案，但不作為本發(fā)明提供的技術(shù)方案的限制，通過以下技術(shù)方案，可以更好地達到和實現(xiàn)本發(fā)明的技術(shù)目的和有益效果。

11、作為本發(fā)明優(yōu)選的技術(shù)方案，所述激光單元還包括勻化整形光學(xué)元件鏡頭，通過光纖與所述激光器形成光學(xué)連接，用于將高斯分布的激光光束轉(zhuǎn)換為能量均勻分布的光束。

12、本發(fā)明中，為了實現(xiàn)激光電池陣列芯片輸出特性曲線的準確測試，確保激光器的輸出光束在激光電池陣列芯片上具有均勻的能量分布至關(guān)重要。然而，常規(guī)激光器產(chǎn)生的激光能量呈高斯分布，中心能量高而兩端能量低。針對這一問題，本發(fā)明優(yōu)選采用基于激光電池陣列芯片尺寸和結(jié)構(gòu)特性的高能激光光束勻化與整形技術(shù)，通過在激光器的輸出光纖前端加裝特殊定制的光學(xué)元件鏡頭，對激光輸出光束的能量進行勻化和整形處理，從而確保了激光電池陣列芯片在能量分布均勻的激光輻照下進行準確測量。

13、本發(fā)明并不限定所述激光器的波長，應(yīng)根據(jù)待測試激光電池陣列芯片的需要合理地調(diào)整，或在一個系統(tǒng)裝置中設(shè)置至少兩個激光器，以便于進行切換測試，示例性地，所述激光器的波長包括808nm和/或1064nm。

14、優(yōu)選地，所述激光單元還包括信號發(fā)生器，通過激光控制電路與所述激光器形成電性連接，用于實現(xiàn)所述激光器的遠程控制。

15、本發(fā)明并不限定形成電性連接用于電源功能及電信號傳輸?shù)木唧w線材及傳輸標準，應(yīng)根據(jù)需要進行合理地調(diào)整與選擇。

16、示例性地，所述信號發(fā)生器通過rs232控制通訊線和信號線與所述激光器控制電路及信號同步控制與觸發(fā)模塊形成電性連接。

17、作為本發(fā)明優(yōu)選的技術(shù)方案，所述檢測單元還包括溫度檢測設(shè)備，溫度檢測設(shè)備與所述控制單元形成電性連接，用于檢測激光電池陣列芯片的溫度。

18、優(yōu)選地，所述溫度檢測設(shè)備包括高速紅外相機。

19、作為本發(fā)明優(yōu)選的技術(shù)方案，所述檢測單元還包括放大器，所述探針通過所述放大器與所述示波器形成電性連接。

20、優(yōu)選地，所述放大器包括電流放大器和/或電壓放大器。

21、由于激光電池陣列芯片在脈沖激光輻照下產(chǎn)生的瞬態(tài)微小電信號具有微弱且難以采集的特點。為了研究激光電池陣列芯片對激光輸入能量的響應(yīng)時間，需要準確地分辨和采集這些微弱的瞬態(tài)電信號。針對這個問題，本發(fā)明優(yōu)選采用弱電壓/弱電流放大器的集成技術(shù)，結(jié)合示波器和高速信號采集模塊（該模塊可集成于控制單元中），以實現(xiàn)對激光電池陣列芯片在脈沖激光能量輻照下瞬態(tài)微小電信號的精確采集。通過這種方式，最終能夠成功地更精確地測試激光電池陣列芯片對瞬態(tài)激光能量輸入的響應(yīng)時間。

22、優(yōu)選地，所述探針包括磁吸型的卡爾文探針。

23、優(yōu)選地，所述源表包括四象限源表。

24、示例性地，所述卡爾文探針通過配有香蕉頭的電纜線與高精度的四象限源表連接，四象限源表通過rs232控制通訊線與信號同步控制與觸發(fā)模塊形成連接。

25、示例性地，所述卡爾文探針通過配有香蕉頭的電纜線與低噪音的電流放大器和低噪音的電壓放大器形成連接，電流放大器與電壓放大器通過bnc線與示波器形成連接；示波器通過rs232控制通訊線與信號同步控制與觸發(fā)模塊形成連接。

26、示例性地，所述卡爾文探針通過配有香蕉頭的電纜線與電子負載連接，電子負載通過rs232控制通訊線與信號同步控制與觸發(fā)模塊形成連接。

27、作為本發(fā)明優(yōu)選的技術(shù)方案，所述控制單元包括fpga電路，所述fpga電路含有所述信號同步控制及觸發(fā)模塊。

28、優(yōu)選地，所述fpga電路還含有數(shù)據(jù)傳輸模塊，用于向所述處理單元輸送數(shù)據(jù)。

29、優(yōu)選地，所述fpga電路還含有高速信號采集模塊。

30、本發(fā)明通過定制fpga來形成信號同步控制及觸發(fā)模塊（邏輯電路），結(jié)合串口通訊，將各種時間尺度的儀器（如激光器、四象限源表、電子負載、電壓放大器、電流放大器、示波器及高速紅外相機）連接并集成在一起。這一集成設(shè)計旨在實現(xiàn)各個儀器設(shè)備的同步控制和數(shù)據(jù)采集，能夠控制并處理不同時間尺度下各儀表的數(shù)據(jù)采集、記錄和處理（單點采集時間大于0.1s），從而實現(xiàn)精準測量激光電池陣列芯片i-v輸出特性曲線等測試的目的。

31、作為本發(fā)明優(yōu)選的技術(shù)方案，所述處理單元包括主機，所述主機含有所述數(shù)據(jù)計算與存儲模塊，所述數(shù)據(jù)計算與存儲模塊含有相應(yīng)的算法程序。

32、優(yōu)選地，所述主機還含有顯示及操作模塊。

33、示例性地，所述fpga電路通過rs232控制通訊線與所述主機形成連接。通過這一集成實現(xiàn)各儀器的同步自動控制以及同步的數(shù)據(jù)采集、記錄和自動分析計算和存儲。

34、作為本發(fā)明優(yōu)選的技術(shù)方案，所述測試激光電池陣列芯片的系統(tǒng)裝置還包括承載單元，所述承載單元用于所述激光單元及所述檢測單元的安置及位置調(diào)節(jié)。

35、作為本發(fā)明優(yōu)選的技術(shù)方案，所述承載單元包括移動調(diào)節(jié)組件，所述移動調(diào)節(jié)組件包括底板，所述底板上安裝有滑軌，所述滑軌上設(shè)置有承載件，所述承載件用于安置激光電池陣列芯片、激光器、探針或檢測設(shè)備終端。

36、優(yōu)選地，所述承載件包括磁吸式承載板。

37、優(yōu)選地，用于安置激光電池陣列芯片、激光器、探針或檢測設(shè)備終端的移動調(diào)節(jié)組件共用同一個底板。

38、本發(fā)明中，所述移動調(diào)節(jié)組件可以實現(xiàn)對安置的激光電池陣列芯片、激光器、探針或檢測設(shè)備終端等在空間位置上的三軸調(diào)節(jié)（xyz軸）或四軸（xyz軸及旋轉(zhuǎn)軸r），以便于實現(xiàn)光路、照射范圍及檢測范圍的調(diào)整。

39、優(yōu)選地，所述移動調(diào)節(jié)組件在各個方向上的調(diào)節(jié)精度為0.1mm。

40、作為本發(fā)明優(yōu)選的技術(shù)方案，所述承載單元包括模塊化樣品臺，用于承載激光電池陣列芯片，所述模塊化樣品臺包括夾持板及與其形成可拆卸連接的替換式環(huán)境控制部件，激光電池陣列芯片設(shè)置于所述夾持板或所述替換式環(huán)境控制部件上，并通過夾持件與所述夾持板配合，夾持固定所述激光電池陣列芯片。

41、優(yōu)選地，所述替換式環(huán)境控制部件包括加熱部件和/或冷卻部件；所述加熱部件包括電熱絕緣件，所述冷卻部件包括風(fēng)冷件和/或水冷件。

42、優(yōu)選地，所述夾持板包括具有熱傳導(dǎo)性的鍍金材質(zhì)。

43、優(yōu)選地，所述模塊化樣品臺設(shè)置于所述承載件上。

44、本發(fā)明中，通過將模塊化樣品臺設(shè)置于移動調(diào)節(jié)組件的承載件上，具備可移動調(diào)節(jié)和模塊化功能選擇的特點，通過配備多種環(huán)境控制部件，如水冷件、風(fēng)冷件和加熱件等進行環(huán)境模擬和溫度控制，各部件之間可方便任意切換，旨在滿足對激光電池陣列芯片在不同使役環(huán)境和不同溫度條件下電能輸出特性的研究需求，為未來的空天激光無線能量傳輸和地面激光無線能量傳輸技術(shù)的熱管理提供實驗基礎(chǔ)和研究設(shè)備。

45、第二方面，本發(fā)明提供了一種測試激光電池陣列芯片的方法，使用第一方面所述的系統(tǒng)裝置對激光電池陣列芯片進行穩(wěn)態(tài)測試、瞬態(tài)測試及衰減測試中的至少一種。

46、本發(fā)明中，當(dāng)所述系統(tǒng)裝置中的探針切換到源表所在的線路時，這一集成可實現(xiàn)對激光電池陣列芯片在穩(wěn)態(tài)連續(xù)激光輻照下的輸出電信號進行采集和記錄的功能。具體地，通過結(jié)合控制單元與處理單元實現(xiàn)自動控制和數(shù)據(jù)分析，將激光進行遠程控制與輸出。實現(xiàn)對激光電池陣列芯片在穩(wěn)態(tài)連續(xù)激光輻照下的i-v輸出特性曲線進行掃描測試，并自動繪制出相應(yīng)的i-v關(guān)系曲線圖。通過內(nèi)置于數(shù)據(jù)計算與存儲模塊的數(shù)據(jù)分析算法程序，能夠自動計算出電池陣列芯片的開路電壓、短路電流、填充因子、最大功率點電壓和最大輸出功率，結(jié)合激光器輸入的激光能量值和激光電池陣列芯片的最大輸出功率，自動評估和計算電池陣列芯片的能量轉(zhuǎn)換效率。

47、本發(fā)明中，當(dāng)所述系統(tǒng)裝置中的探針切換到示波器所在的線路時，這一集成可實現(xiàn)激光電池陣列芯片在脈沖激光輻照下的瞬態(tài)電信號的采集和記錄，以便測試激光電池陣列芯片對脈沖激光能量輸入的電響應(yīng)。具體地，通過結(jié)合控制單元與處理單元實現(xiàn)激光器產(chǎn)生脈沖激光信號輸出的同步觸發(fā)，通過配合弱電壓/電流監(jiān)測模塊（指上述電壓放大器/電流放大器）和示波器，系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)最小1μs的時間間隔對激光電池陣列芯片輸出的脈沖電信號的高速同步采集，能夠精確測試激光電池陣列芯片對脈沖激光能量輸入的響應(yīng)時間。

48、本發(fā)明中，當(dāng)所述系統(tǒng)裝置中的探針切換到電子負載所在的線路時，這一集成可實現(xiàn)模擬激光電池陣列芯片在不同負載模式以及穩(wěn)定連續(xù)激光長時間輻照下的工作條件，采集并記錄激光電池陣列芯片的輸出功率、電壓和電流的時間曲線，以監(jiān)測電池陣列芯片在長期穩(wěn)定激光輻照條件下的性能變化及衰減老化情況。

49、示例性地，本發(fā)明可以用于解決如下科學(xué)技術(shù)問題：

50、（1）激光電池陣列芯片的結(jié)構(gòu)功能一體化設(shè)計研究：

51、聚焦激光無線能量傳輸技術(shù)發(fā)展前沿，采用本發(fā)明所述系統(tǒng)裝置對不同結(jié)構(gòu)和參數(shù)的激光電池陣列芯片的i-v特性進行深入的表征測試，有助于揭示激光電池陣列芯片結(jié)構(gòu)與其性能之間的關(guān)系，深入理解激光電池陣列芯片能量轉(zhuǎn)換效率的關(guān)鍵影響因素，獲得激光電池陣列芯片構(gòu)效關(guān)系，從而為高性能激光電池陣列芯片結(jié)構(gòu)功能設(shè)計提供科學(xué)基礎(chǔ)。

52、（2）高能激光與激光電池陣列芯片之間相互作用與損傷機制研究：

53、作為激光能量傳輸系統(tǒng)中的核心部件，激光電池陣列芯片在高能激光輻照下的表現(xiàn)至關(guān)重要。當(dāng)高能激光能量超過電池陣列芯片的承受能力時，可能會導(dǎo)致電池陣列芯片的不可逆損傷。通過本發(fā)明所述系統(tǒng)裝置對激光電池陣列芯片在不同能量密度激光輻照下的輸出i-v特性進行測試和分析，可以更好地揭示激光電池陣列芯片與高能激光的相互作用和損傷機制。

54、（3）溫度對激光電池陣列芯片性能的影響機制研究：

55、高能激光輻照下，激光電池陣列芯片表面將承受瞬時的巨大能量。其中部分能量會轉(zhuǎn)換為電能輸出，而剩余的能量則以熱的形式積累在芯片表面，導(dǎo)致溫度升高。通過本發(fā)明所述系統(tǒng)裝置，能夠測試芯片在不同溫度條件下的i-v輸出特性，從而揭示溫度對激光電池陣列芯片能量轉(zhuǎn)換效率的影響機制。

56、（4）激光電池陣列芯片在長期使役工況下的性能老化衰減研究：

57、通過本發(fā)明所述系統(tǒng)裝置定期對激光電池陣列芯片的i-v特性曲線進行測試，能夠獲得激光電池陣列芯片的輸出功率-時間、電壓-時間和電流-時間曲線，進而能夠研究激光電池陣列芯片在長期穩(wěn)定激光輻照工況下的性能變化，能夠為激光電池陣列芯片的設(shè)計與優(yōu)化提供科學(xué)基礎(chǔ)。

58、與現(xiàn)有技術(shù)方案相比，本發(fā)明至少具有以下有益效果：

59、本發(fā)明提出的對激光能量轉(zhuǎn)換電池陣列芯片的測試系統(tǒng)裝置是一種多功能的綜合評價測試系統(tǒng)與裝置，能夠準確對高功率密度激光能量轉(zhuǎn)換電池陣列芯片進行輸出電壓-電流（i-v）掃描，通過探針在源表、示波器及電子負載之間切換連接，形成不同的測試線路獲得多種測試功能，例如穩(wěn)態(tài)測試、瞬態(tài)測試及衰減測試等，通過信號同步控制與觸發(fā)模塊實現(xiàn)激光器及源表等設(shè)備的信號同步與觸發(fā)，使得各個設(shè)備之間能自動化地協(xié)同配合與工作，從而獲得激光能量轉(zhuǎn)換電池陣列芯片的i-v輸出特性曲線和電池陣列芯片對激光的響應(yīng)時間及電池性能衰減等數(shù)據(jù)，并能通過處理單元對獲得數(shù)據(jù)進行計算處理與存儲；所述系統(tǒng)裝置可實現(xiàn)對激光電池陣列芯片的結(jié)構(gòu)功能一體化設(shè)計、對于高能激光的相互作用與損傷機制、環(huán)境條件尤其是溫度對性能的影響機制以及在長期使役工況下的性能老化衰減機制等的研究，為激光無線能量傳輸技術(shù)提供成熟的系統(tǒng)性表征儀器裝置和評價標準，從而為激光電池陣列芯片結(jié)構(gòu)設(shè)計提供理論數(shù)據(jù)支撐，為推動激光無線能量傳輸技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展提供強有力的支持。