高功率激光裝置的負(fù)載能力及其相關(guān)物理問題

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高功率激光裝置的負(fù)載能力及其相關(guān)物理問題

內(nèi)容簡(jiǎn)介

第1章　緒論

第2章　負(fù)載能力定義和表征及損傷物理問題

第3章　絕緣材料強(qiáng)激光損傷的物理機(jī)制

第4章　激光特性對(duì)裝置負(fù)載能力的影響

第5章　光學(xué)元件特性對(duì)裝置負(fù)載能力的影響

第6章　激光裝置運(yùn)行環(huán)境對(duì)負(fù)載能力的影響

第7章　先進(jìn)處理技術(shù)對(duì)負(fù)載能力的影響

第8章　CO2激光修復(fù)熔石英元件表面損傷

索引

封底

本書詳盡地闡述了高功率激光裝置負(fù)載能力的相關(guān)問題，講解了絕緣材料激光損傷的物理基礎(chǔ)、理論模型和最新進(jìn)展，并從激光特性、光學(xué)元件特性以及運(yùn)行環(huán)境三個(gè)方面討論了影響激光裝置負(fù)載能力的主要因素和物理問題，最后介紹和討論了先進(jìn)處理技術(shù)和二氧化碳激光修復(fù)技術(shù)在高功率激光裝置負(fù)載能力領(lǐng)域的應(yīng)用。

帶負(fù)載能力是指，外接器件后，輸出的電壓或電流大小不受影響的能力。比如，如果一個(gè)單片機(jī)的引腳輸出5伏電壓信號(hào)，如果接上一個(gè)負(fù)載后，它的5伏保持不變，那么，它就可以帶動(dòng)這個(gè)負(fù)載，如果變小，那就說明帶不動(dòng)負(fù)載。同樣，如果輸出的電流能夠滿足負(fù)載的需要，那就說明帶負(fù)載能力滿足要求，反之亦然。

在放大電路中，如果你想負(fù)載獲得得穩(wěn)定的電壓，即負(fù)載大小變化時(shí)也能獲得穩(wěn)定的電壓，此時(shí)就要求放大電路的輸出電阻越小 越好，這樣內(nèi)阻基本上不參與輸出電壓的分壓，所以負(fù)載電阻不管多大它上面的電壓基本不變。你完全可以用電壓源串一個(gè)內(nèi)阻接負(fù)載時(shí)的情況分析。

如果放大電路輸出可以等效成電流源（如果你想讓負(fù)載上獲得穩(wěn)定的電流），此時(shí)就要求輸出輸出電阻越大越好（最好無窮大），這樣不管負(fù)載怎么變化內(nèi)阻（它是并聯(lián)的）分得的電流都很小，所以電流很穩(wěn)定。你完全可以用理想電流源并聯(lián)一個(gè)內(nèi)阻的情況來分析。

所以在實(shí)際電路，你要看它的輸出端是想穩(wěn)定輸出電流還是想穩(wěn)定電壓（放大電路中的負(fù)反饋類型可以判斷出來），如果是想穩(wěn)定輸出電壓，說它帶負(fù)載能力強(qiáng)表示其輸出電阻比較小，如果是穩(wěn)定輸出電流，說它帶負(fù)載能力強(qiáng)表示其輸出電阻比較大。通常，要求輸出電阻比較小的情況居多。

輸入阻抗

輸入阻抗是指一個(gè)電路輸入端的等效阻抗。在輸入端上加上一個(gè)電壓源U，測(cè)量輸入端的電流I，則輸入阻抗Rin就是U/I。你可以把輸入端想象成一個(gè)電阻的兩端，這個(gè)電阻的阻值，就是輸入阻抗。

輸入阻抗跟一個(gè)普通的電抗元件沒什么兩樣，它反映了對(duì)電流阻礙作用的大小。對(duì)于電壓驅(qū)動(dòng)的電路，輸入阻抗越大，則對(duì)電壓源的負(fù)載就越輕，因而就越容易驅(qū)動(dòng)，也不會(huì)對(duì)信號(hào)源有影響；而對(duì)于電流驅(qū)動(dòng)型的電路，輸入阻抗越小，則對(duì)電流源的負(fù)載就越輕。因此，我們可以這樣認(rèn)為：如果是用電壓源來驅(qū)動(dòng)的，則輸入阻抗越大越好；如果是用電流源來驅(qū)動(dòng)的，則阻抗越小越好（注：只適合于低頻電路，在高頻電路中，還要考慮阻抗匹配問題。另外如果要獲取最大輸出功率時(shí)，也要考慮阻抗匹配問題。

不管對(duì)于電壓源還是電流源，其功率都是一定的（理想的為無窮大）。

分析：

對(duì)于電壓源：P=(U²)/R

電壓一定，則輸入阻抗越大，則對(duì)電壓源的負(fù)載就越輕，因而就越容易驅(qū)動(dòng)，也不會(huì)對(duì)信號(hào)源有影響；

對(duì)于電流源：P=(I²)R

而對(duì)于電流驅(qū)動(dòng)型的電路，輸入阻抗越小，則對(duì)電流源的負(fù)載就越輕。

輸出阻抗

輸出阻抗是在出口處測(cè)得的阻抗。阻抗越小，驅(qū)動(dòng)更大負(fù)載的能力就越高。

無論信號(hào)源或放大器還有電源，都有輸出阻抗的問題。輸出阻抗就是一個(gè)信號(hào)源的內(nèi)阻。本來，對(duì)于一個(gè)理想的電壓源，內(nèi)阻應(yīng)該為0，或理想電流源的阻抗應(yīng)當(dāng)為無窮大。但現(xiàn)實(shí)的電壓源，則不能做到這一點(diǎn)，我們常用一個(gè)理想電壓源串聯(lián)一個(gè)電阻R的方式來等效一個(gè)實(shí)際的電壓源。這個(gè)跟理想電壓源串聯(lián)的電阻R，就是（信號(hào)源/放大器輸出/電源）的內(nèi)阻了。當(dāng)這個(gè)電壓源給負(fù)載供電時(shí)，就會(huì)有電流I從這個(gè)負(fù)載上流過，并在這個(gè)電阻上產(chǎn)生I*R的壓降。這將導(dǎo)致電源輸出電壓的下降，從而限制了最大輸出功率（關(guān)于為什么會(huì)限制最大輸出功率，請(qǐng)看后面的“阻抗匹配”一問）。同樣的，一個(gè)理想的電流源，輸出阻抗應(yīng)該是無窮大，但實(shí)際的電路是不可能的。

引入輸入阻抗和輸出阻抗這兩個(gè)詞，最大的目的是在設(shè)計(jì)電路中，要提高效率，即要達(dá)到阻抗匹配，達(dá)到最佳效果。

有了輸入輸出阻抗這兩個(gè)詞，還可以方便兩個(gè)電路獨(dú)立的分開來設(shè)計(jì)。當(dāng)A電路中輸入阻抗和B電路的輸出阻抗相同（或者在一定范圍）時(shí)，兩個(gè)電路就可不作任何更改，直接組合成一個(gè)更復(fù)雜的電路（或者系統(tǒng)）。

由上也可以得出：輸入阻抗和輸出阻抗實(shí)際上就是等效電阻，單位與電阻相同。

阻抗匹配

阻抗匹配是指信號(hào)源或者傳輸線跟負(fù)載之間的一種合適的搭配方式。阻抗匹配分為低頻和高頻兩種情況討論。我們先從直流電壓源驅(qū)動(dòng)一個(gè)負(fù)載入手。由于實(shí)際的電壓源，總是有內(nèi)阻的，我們可以把一個(gè)實(shí)際電壓源，等效成一個(gè)理想的電壓源跟一個(gè)電阻r串聯(lián)的模型。假設(shè)負(fù)載電阻為R，電源電動(dòng)勢(shì)為U，內(nèi)阻為r，那么我們可以計(jì)算出流過電阻R的電流為 : I = U / (R r)，可以看出，負(fù)載電阻R越小，則輸出電流越大。負(fù)載R上的電壓為 : Uo = IR = U / (1 (r/R))，可以看出，負(fù)載電阻R越大，則輸出電壓Uo越高。再來計(jì)算一下電阻R消耗的功率為：

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

對(duì)于一個(gè)給定的信號(hào)源，其內(nèi)阻r是固定的，而負(fù)載電阻R則是由我們來選擇的。注意式中((R-r)²/R)，當(dāng)R=r時(shí)，取最小值0，這是負(fù)載電阻R上可獲得最大輸出功率Pmax = U²/4/R。即，當(dāng)負(fù)載電阻跟信號(hào)源內(nèi)阻相等時(shí)，負(fù)載可以獲得最大輸出功率，這就是我們常說的阻抗匹配之一。對(duì)于純電阻電路，此結(jié)論同樣適用于低頻及高頻電路。當(dāng)交流電路中含有容性或感性阻抗時(shí)，結(jié)論有所改變，就是需要信號(hào)源與負(fù)載阻抗的實(shí)部相等，虛部互為相反數(shù)，這叫做阻抗匹配。在低頻電路中，我們一般不考慮傳輸線的匹配問題，只考慮信號(hào)源跟負(fù)載之間的情況，因?yàn)榈皖l信號(hào)的波長(zhǎng)相對(duì)于傳輸線來說很長(zhǎng)，傳輸線可以看成是短路，反射可以不考慮（可以這么理解：因?yàn)榫€短，即使反射回來，跟原信號(hào)還是一樣的）。從以上分析我們可以得出結(jié)論：如果我們需要輸出電流大，則選擇小的負(fù)載R；如果我們需要輸出電壓大，則選擇大的負(fù)載R；如果我們需要輸出功率大，則選擇跟信號(hào)源內(nèi)阻匹配的電阻R。有時(shí)阻抗不匹配還有另外一層意思，例如一些儀器輸出斷時(shí)在特定的負(fù)載條件下設(shè)計(jì)的，如果負(fù)載條件改變了，則可能達(dá)不到原來的性能，這是我們也會(huì)叫做阻抗不匹配 。

在高頻電路中，我們還必須考慮反射的問題。當(dāng)信號(hào)的頻率很高時(shí)，則信號(hào)的波長(zhǎng)就很短，當(dāng)波長(zhǎng)短得和傳輸線長(zhǎng)度可以比擬時(shí)，反射信號(hào)疊加在原信號(hào)上將會(huì)改變?cè)盘?hào)的形狀。如果傳輸線的特征阻抗跟負(fù)載阻抗不相等（不匹配）時(shí)，會(huì)在負(fù)載端產(chǎn)生反射。為什么阻抗不匹配會(huì)產(chǎn)生反射以及特征阻抗的求解方法，牽涉到二階偏微分方程的求解，在這里我們也不細(xì)說了，有興趣的可以參考電磁場(chǎng)與微波方面書籍中的傳輸線理論。傳輸線的特征阻抗（也叫做特性阻抗）是由傳輸線的結(jié)構(gòu)及材料決定的，而與傳輸線的長(zhǎng)度、以及信號(hào)的幅度、頻率無關(guān)。

電壓驅(qū)動(dòng)型器件和電流驅(qū)動(dòng)型器件

電壓驅(qū)動(dòng)的如：場(chǎng)效應(yīng)管，因?yàn)樗膬?nèi)阻很大，加電壓控制時(shí)電流很小，近似為零，所以可以理解成電壓驅(qū)動(dòng)；

電流驅(qū)動(dòng)的如：普通的NPN、PNP型三極管，因?yàn)樗膬?nèi)阻較小，加電壓控制時(shí)電流相對(duì)較大（一般小功率的都有100uA以上，大功率的可達(dá)20mA以上），所以可以理解成電流驅(qū)動(dòng)；

從控制原理來說：電壓驅(qū)動(dòng)的如：場(chǎng)效應(yīng)管，它是通過加到G、S端的電壓（微觀的就是電場(chǎng)）來控制D、S內(nèi)部通道的寬窄（即通道可變）來控制D、S兩端電流；電流驅(qū)動(dòng)的如：普通的NPN、PNP型三極管，是通過加到B、E端的電流（微觀的就是電子的流動(dòng)）來控制C、E內(nèi)部的電流流動(dòng)（即通道不變）。

負(fù)載效應(yīng)不僅會(huì)發(fā)生于傳感器與被測(cè)物體間，而且存在于測(cè)量裝置的前后環(huán)節(jié)之間。

測(cè)量裝置的負(fù)載效應(yīng)是其固有特性，在設(shè)計(jì)搭建測(cè)量系統(tǒng)時(shí)，要考慮將其將其影響降到最小，以提高測(cè)試精度。2100433B

充放電電流：-300~300A，并聯(lián)-600~600A，充放電電壓：0~600V； 持續(xù)功率：80kw,并聯(lián)160kw；峰值功率120kw，并聯(lián)240kw； 電流精度：±0.1%滿量程，電壓精度：±0.05%滿量程； 分辨率：電流±10mA，電壓±20mV。