高功率激光装置的负载能力及其相关物理问题

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高功率激光装置的负载能力及其相关物理问题

内容简介

第1章　绪论

第2章　负载能力定义和表征及损伤物理问题

第3章　绝缘材料强激光损伤的物理机制

第4章　激光特性对装置负载能力的影响

第5章　光学元件特性对装置负载能力的影响

第6章　激光装置运行环境对负载能力的影响

第7章　先进处理技术对负载能力的影响

第8章　CO2激光修复熔石英元件表面损伤

索引

封底

本书详尽地阐述了高功率激光装置负载能力的相关问题，讲解了绝缘材料激光损伤的物理基础、理论模型和最新进展，并从激光特性、光学元件特性以及运行环境三个方面讨论了影响激光装置负载能力的主要因素和物理问题，最后介绍和讨论了先进处理技术和二氧化碳激光修复技术在高功率激光装置负载能力领域的应用。

带负载能力是指，外接器件后，输出的电压或电流大小不受影响的能力。比如，如果一个单片机的引脚输出5伏电压信号，如果接上一个负载后，它的5伏保持不变，那么，它就可以带动这个负载，如果变小，那就说明带不动负载。同样，如果输出的电流能够满足负载的需要，那就说明带负载能力满足要求，反之亦然。

在放大电路中，如果你想负载获得得稳定的电压，即负载大小变化时也能获得稳定的电压，此时就要求放大电路的输出电阻越小 越好，这样内阻基本上不参与输出电压的分压，所以负载电阻不管多大它上面的电压基本不变。你完全可以用电压源串一个内阻接负载时的情况分析。

如果放大电路输出可以等效成电流源（如果你想让负载上获得稳定的电流），此时就要求输出输出电阻越大越好（最好无穷大），这样不管负载怎么变化内阻（它是并联的）分得的电流都很小，所以电流很稳定。你完全可以用理想电流源并联一个内阻的情况来分析。

所以在实际电路，你要看它的输出端是想稳定输出电流还是想稳定电压（放大电路中的负反馈类型可以判断出来），如果是想稳定输出电压，说它带负载能力强表示其输出电阻比较小，如果是稳定输出电流，说它带负载能力强表示其输出电阻比较大。通常，要求输出电阻比较小的情况居多。

输入阻抗

输入阻抗是指一个电路输入端的等效阻抗。在输入端上加上一个电压源U，测量输入端的电流I，则输入阻抗Rin就是U/I。你可以把输入端想象成一个电阻的两端，这个电阻的阻值，就是输入阻抗。

输入阻抗跟一个普通的电抗元件没什么两样，它反映了对电流阻碍作用的大小。对于电压驱动的电路，输入阻抗越大，则对电压源的负载就越轻，因而就越容易驱动，也不会对信号源有影响；而对于电流驱动型的电路，输入阻抗越小，则对电流源的负载就越轻。因此，我们可以这样认为：如果是用电压源来驱动的，则输入阻抗越大越好；如果是用电流源来驱动的，则阻抗越小越好（注：只适合于低频电路，在高频电路中，还要考虑阻抗匹配问题。另外如果要获取最大输出功率时，也要考虑阻抗匹配问题。

不管对于电压源还是电流源，其功率都是一定的（理想的为无穷大）。

分析：

对于电压源：P=(U²)/R

电压一定，则输入阻抗越大，则对电压源的负载就越轻，因而就越容易驱动，也不会对信号源有影响；

对于电流源：P=(I²)R

而对于电流驱动型的电路，输入阻抗越小，则对电流源的负载就越轻。

输出阻抗

输出阻抗是在出口处测得的阻抗。阻抗越小，驱动更大负载的能力就越高。

无论信号源或放大器还有电源，都有输出阻抗的问题。输出阻抗就是一个信号源的内阻。本来，对于一个理想的电压源，内阻应该为0，或理想电流源的阻抗应当为无穷大。但现实的电压源，则不能做到这一点，我们常用一个理想电压源串联一个电阻R的方式来等效一个实际的电压源。这个跟理想电压源串联的电阻R，就是（信号源/放大器输出/电源）的内阻了。当这个电压源给负载供电时，就会有电流I从这个负载上流过，并在这个电阻上产生I*R的压降。这将导致电源输出电压的下降，从而限制了最大输出功率（关于为什么会限制最大输出功率，请看后面的“阻抗匹配”一问）。同样的，一个理想的电流源，输出阻抗应该是无穷大，但实际的电路是不可能的。

引入输入阻抗和输出阻抗这两个词，最大的目的是在设计电路中，要提高效率，即要达到阻抗匹配，达到最佳效果。

有了输入输出阻抗这两个词，还可以方便两个电路独立的分开来设计。当A电路中输入阻抗和B电路的输出阻抗相同（或者在一定范围）时，两个电路就可不作任何更改，直接组合成一个更复杂的电路（或者系统）。

由上也可以得出：输入阻抗和输出阻抗实际上就是等效电阻，单位与电阻相同。

阻抗匹配

阻抗匹配是指信号源或者传输线跟负载之间的一种合适的搭配方式。阻抗匹配分为低频和高频两种情况讨论。我们先从直流电压源驱动一个负载入手。由于实际的电压源，总是有内阻的，我们可以把一个实际电压源，等效成一个理想的电压源跟一个电阻r串联的模型。假设负载电阻为R，电源电动势为U，内阻为r，那么我们可以计算出流过电阻R的电流为 : I = U / (R r)，可以看出，负载电阻R越小，则输出电流越大。负载R上的电压为 : Uo = IR = U / (1 (r/R))，可以看出，负载电阻R越大，则输出电压Uo越高。再来计算一下电阻R消耗的功率为：

P = I*I*R = (U/( r))²*R=U²/(((R-r)²/R) 4*R)

对于一个给定的信号源，其内阻r是固定的，而负载电阻R则是由我们来选择的。注意式中((R-r)²/R)，当R=r时，取最小值0，这是负载电阻R上可获得最大输出功率Pmax = U²/4/R。即，当负载电阻跟信号源内阻相等时，负载可以获得最大输出功率，这就是我们常说的阻抗匹配之一。对于纯电阻电路，此结论同样适用于低频及高频电路。当交流电路中含有容性或感性阻抗时，结论有所改变，就是需要信号源与负载阻抗的实部相等，虚部互为相反数，这叫做阻抗匹配。在低频电路中，我们一般不考虑传输线的匹配问题，只考虑信号源跟负载之间的情况，因为低频信号的波长相对于传输线来说很长，传输线可以看成是短路，反射可以不考虑（可以这么理解：因为线短，即使反射回来，跟原信号还是一样的）。从以上分析我们可以得出结论：如果我们需要输出电流大，则选择小的负载R；如果我们需要输出电压大，则选择大的负载R；如果我们需要输出功率大，则选择跟信号源内阻匹配的电阻R。有时阻抗不匹配还有另外一层意思，例如一些仪器输出断时在特定的负载条件下设计的，如果负载条件改变了，则可能达不到原来的性能，这是我们也会叫做阻抗不匹配 。

在高频电路中，我们还必须考虑反射的问题。当信号的频率很高时，则信号的波长就很短，当波长短得和传输线长度可以比拟时，反射信号叠加在原信号上将会改变原信号的形状。如果传输线的特征阻抗跟负载阻抗不相等（不匹配）时，会在负载端产生反射。为什么阻抗不匹配会产生反射以及特征阻抗的求解方法，牵涉到二阶偏微分方程的求解，在这里我们也不细说了，有兴趣的可以参考电磁场与微波方面书籍中的传输线理论。传输线的特征阻抗（也叫做特性阻抗）是由传输线的结构及材料决定的，而与传输线的长度、以及信号的幅度、频率无关。

电压驱动型器件和电流驱动型器件

电压驱动的如：场效应管，因为它的内阻很大，加电压控制时电流很小，近似为零，所以可以理解成电压驱动；

电流驱动的如：普通的NPN、PNP型三极管，因为它的内阻较小，加电压控制时电流相对较大（一般小功率的都有100uA以上，大功率的可达20mA以上），所以可以理解成电流驱动；

从控制原理来说：电压驱动的如：场效应管，它是通过加到G、S端的电压（微观的就是电场）来控制D、S内部通道的宽窄（即通道可变）来控制D、S两端电流；电流驱动的如：普通的NPN、PNP型三极管，是通过加到B、E端的电流（微观的就是电子的流动）来控制C、E内部的电流流动（即通道不变）。

负载效应不仅会发生于传感器与被测物体间，而且存在于测量装置的前后环节之间。

测量装置的负载效应是其固有特性，在设计搭建测量系统时，要考虑将其将其影响降到最小，以提高测试精度。2100433B

充放电电流：-300~300A，并联-600~600A，充放电电压：0~600V； 持续功率：80kw,并联160kw；峰值功率120kw，并联240kw； 电流精度：±0.1%满量程，电压精度：±0.05%满量程； 分辨率：电流±10mA，电压±20mV。