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3 国家高技术863-416主题资助项目
1998-05-11收到初稿,1998-09-07修回
高功率钕玻璃激光放大器优化设计的研究现状与展望3
张 华 范滇元
(中国科学院上海光学精密机械研究所,上海 201800)
摘 要 系统地分析了高功率钕玻璃激光放大器及其优化设计的研究现况和进一步发展的方向,简要报道了在钕玻璃放大器优化设计方面所取得的主要成果.
关键词 惯性约束核聚变,钕玻璃放大器,优化设计
OPTIMIZATION OF THE DESIGN OF HIGH POWER
Nd∶G LASS LASER AMPL IFIERS
Zhang Hua Fan Dianyuan
(S hanghai Instit ute of Optics and Fine Mechanics,The Chinese Academy of Sciences,S hanghai 201800)
Abstract The development of high power solid state lasers and the optimized design of Nd∶glass amplifiers are described.Our own successes in the optimized design of Nd∶glass amplifiers are reported.
K ey w ords inertial confinement fusion,Nd∶glass amplifier,optimized design
1 引言
惯性约束核聚变(ICF)激光驱动器的发展在很大程度上代表了目前高功率固体激光技术发展的最高成就.在ICF开展以来的20多年内,世界各国不断提出新的发展计划,探索新的技术途径,使ICF激光驱动器的研究蓬勃发展,现在已经建成了输出能量达100kJ的高功率激光装置.在高功率固体激光的发展过程中又不断开拓新的物理领域,如X射线激光、强场物理等,取得了一系列令人瞩目的成就.
惯性约束核聚变的研究和发展对激光驱动器的要求越来越高,主要表现在两方面:首先是规模巨大,因而要尽可能降低造价;其次是精密程度日益提高,要求激光系统具有高度的稳定性、可重复性和多路光束性能的一致性,从而对激光系统的设计提出了十分严格的要求,每一种类型的器件都需要进行最佳化设计.
本文将从高功率钕玻璃激光器及其优化设计的发展现况、我们在钕玻璃放大器优化设计方面所取得的主要成果和钕玻璃固体激光器进
一步发展的方向等3个方面,对高功率钕玻璃激光放大器的发展现况进行系统分析.
2 高功率固体激光系统的发展概况
美国国家点火装置(N IF)计划的实施标志着高功率钕玻璃固体激光驱动器一个新的研究高潮的到来.在此之前,世界上开展ICF研究的国家纷纷建造新的大型激光装置和对现有的装置进行升级改造,使激光器输出能量和功率水平幅度提高.表1列出了目前已建成或正在建设的大型钕玻璃固体激光装置,其中以美国LLNL实验室的精密NOVA装置和国家点火装置最具代表性.
表1 世界各国钕玻璃激光驱动器的发展计划激光装置和计划研究机构输出能量
国家点火装置美国利弗莫尔实验室118MJ
法国点火装置法国里梅尔实验室118MJ
诺瓦装置美国利弗莫尔实验室100kJ
精密诺瓦装置美国利弗莫尔实验室100kJ
激光-Ⅻ装置日本大阪大学10kJ
激光-Ⅻ升级装置日本大阪大学1—2MJ
欧米加升级装置美国罗切斯特大学30kJ
神光Ⅱ装置中国联合实验室418kJ
神光Ⅲ装置中国工程物理研究院180kJ
ISKRA-6俄罗斯实验物理研究所300kJ
211 N OVA、精密N OVA和国家点火装置NOVA装置是目前世界上运行的最大的激光系统,于1985年建成并投入运行.在此之后,又不断进行升级改造.NOVA装置分成10路光束,能提供给靶场80—120kJ(3ns)的能量或80—120TW的功率(100ps).其设计思想为:尽可能增大输出光束孔径,每束光具有尽可能大的能量,采用自动光束校准和测试系统,这样能减少系统工程造价,同时能广泛应用于物理实验、ICF和其他物理应用.
为满足物理实验的需要,1990年美国确定了在已有NOVA装置上升级的最终目标:以350nm波长及3ns脉宽工作时,总输出能量为1—2MJ,共分为288条光束.为了使如此众多的光束合理地分布,他们采用了简单、紧凑且具有高性能价格比的列阵片状放大器.主放大器的口径为35cm,采用4×4多列阵布局.还采用了以下一系列新技术:带开关的四程主放大器,提高了储能利用率;空间滤波器的像传递技术;利用大口径等离子体电极开关和大口径偏振膜,提取腔内强激光脉冲;焦点每次在空间滤波器的焦平面上处于不同的位置,可以避免小孔产生的等离子体影响后序光束的通过.
美国利弗莫尔国家实验室继NOVA装置之后,针对靶物理实验的需要,又提出了精密NOVA计划.精密NOVA在功率平衡方面的要求促进了激光诊断技术、多路激光同步技术、高压泵浦能源稳定性技术、增益饱和控制和谐波转换效率控制技术的发展,光束指向稳定性也对自动瞄靶技术提出了更高的要求.
总体造价达18亿美元的美国“国家点火计划”(N IF)代表了目前高功率固体激光器发展的最新趋势.为获得118MJ,500TW,350nm的激光输出,总共采用192路激光,其中单路激光驱动器的口径达46cm×81cm(净口径40cm×40cm).输出激光能量10kJ.各种大口径的光学玻璃需要7518片,每块光学玻璃的加工要求极高.在总体上仍采用与NOVA升级装置相似的技术路线.
212 OMEG A升级装置
OM EG A升级装置是罗切斯特大学在原OM EG A装置基础上改进的.与NOVA升级装置“间接驱动为主,直接驱动为辅”的方针不同, OM EG A升级装置一直以直接驱动作为其激光器发展的主方向.OM EG A升级装置曾考虑采用15组的多列阵放大器,每组4束.但为了使15组光束达到直接驱动要求的功率平衡极为困难,所以现在采用2个5×6列阵布局.由于组合式放大器具有较高的增益,使用单通放大方式就可获得较高的抽取效率.输出能量为30kJ.为了减小泵浦腔的容积(这意味着提高了泵浦腔的转换效率),而又不影响两边片状放大器的能量条件,氙灯采用NOVA装置的横向排列,冷却采用Chroma系统的水冷方式.
213 法国PHEBUS装置和MJ固体激光驱动器计划
法国PHEBUS激光装置[1]是仅次于NO2 VA装置的目前世界上运行的第二大激光装置.该装置由两束NOVA装置的子束构成,其技术方案也与NOVA装置相似.继美国提出N IF计划之后,法国也提出了相应的兆焦耳固体激光驱动器计划.为获得118MJ,500TW (355nm)的能量输出,采用288路子光束,主放光束口径为35cm×35cm或37cm×37cm,采用新型4×4或2×2多通组合式L-U主放大器.采用L-U主放大器最大的好处是不需要大口径光学开关即可实现四程放大.
214 GEKK O-Ⅻ装置和金刚计划
GEKKO-Ⅻ装置为典型的MOPA式结构高功率固体钕玻璃激光系统,总共12路,输出能量为20kJ[2].该装置采用50%部分相干光源,改进无规位相板(RPP),使用光谱色散平滑技术(SSD)和列阵透镜技术,使其在靶面均匀照明方面处于世界领先地位.1992年,实现靶面均匀照明达318%,成功地将CD薄壳靶压缩到600倍液体密度,前级各路激光的能量平衡和功率平衡达8%.实现直接点火所需要的激光装置是GEKKO-Ⅻ升级装置,金刚计划中的该装置预计24—60路,初级输入能量1MJ (基频).
215 神光装置
中国高功率激光物理联合实验室先后成功地研制了神光Ⅰ[3]和神光Ⅱ装置.神光Ⅰ装置共有两束激光,每束包括Φ100,Φ150,Φ200等3种规格的片状放大器,3种片状放大器的小信号增益系数分别达到7136%/cm,5195%/cm 和5192%/cm.末级输出功率为110TW/束(011ns),输出能量为800J/束(1ns)和960J/束(3ns).
神光Ⅱ装置是神光Ⅰ的升级装置,参考了国外大型激光器发展的新成果,并结合我国的实际情况,确定以组合式结构提高泵浦效率、双程放大提高抽取效率的总体技术路线.神光Ⅱ装置主要具有以下特色:
(1)钕玻璃片采用2×2阵列式结构,氙灯纵向放于两边和中间,允许4个直径为200mm 的光束并行通过.纵向片数为8片,每片的标称尺寸为20cm×20cm.
(2)主放大器采用同轴双程放大光路布局.在LLNL多程放大器方案中,采用大口径电光开关实现光束的引出.这种电光开关成本贵,技术复杂,也不够成熟.罗切斯特大学采用斜入射-反射光路来实现双路放大,显著增大钕玻璃片的横向尺寸,在造价和效率上受较大影响.神光Ⅱ装置利用空间滤波器来实现光束的注入和引出,显著地提高了系统的性能价格比.
(3)采用组合放大器结构,显著提高了泵浦效率,效率系数比原神光装置提高将近一倍,泵浦源的成本大幅度下降.
3 钕玻璃放大器优化设计的研究与发展
放大器系统是大型高功率固体激光系统的主要组成部分之一,不仅占总造价的很大比例,而且对系统的总体性能有重要影响.在高功率钕玻璃激光器20多年的发展历程中,世界上许多著名实验室如美国利弗莫尔实验室、法国里梅尔实验室等都在寻求优化的设计方案,提高激光系统的性能价格比,并为此作出了不懈的努力,取得了许多有意义的结果.
美国利弗莫尔实验室从70年代开始建造大型高功率固体激光系统,在高功率激光装置的研究方面一直处于世界领先地位,先后建造了JANUS(1974年),AR GUS(1976年),SHI2 VA(1977年),NOV ETTE(1983年)和NOVA (1984年)等固体激光系统,同时还建造了SSA,MSA-1,MSA-2等单元激光器.1994年,为了全面考核、验证用于国家点火装置(N IF)的关键技术和元器件,又建立了B EAM2 L ET激光装置,这些装置的成功运转为推动激光核爆模拟实验作出了重要贡献.与此同时,利弗莫尔实验室在优化设计方面完成了大量的卓有成效的工作,建立了许多有用的分析的经验模型,主要包括放大器的性能、氙灯泵浦、泵浦
光从氙灯到钕玻璃的腔传换效率、玻璃片内部由于ASE引起的损耗以及包边吸收ASE的影响等.通过SSA和MSA原型机、NOVA放大器和其他试验装置的实验数据的比较,这些模型已得到了验证.以下主要介绍利弗莫尔实验室的研究成果,同时也报道我们的研究工作.
311 氙灯辐射光谱
Trenholme和Emmett首先建立了氙灯的辐射光谱模型,氙灯的辐射是充满氙灯内径的均匀加热等离子体的辐射,氙灯等离子体用温度和与波长有关的等离子体吸收辐射系数来描述.根据这个模型,利弗莫尔实验室建立了用于模拟氙灯辐射光谱的计算机模拟程序,例如, GEN EFF和VODAC.所有这些物理基础和计算程序都把电流密度作为描述氙灯工作特性的一个重要参量,并作为氙灯光谱成分好坏的一个重要标准.
从1984年开始,利弗莫尔实验室详细测量了闪光灯的绝对瞬态光谱分布,详细研究了闪光灯的各种工作参数对输出光谱特性的影响,结果表明:
(1)不同直径的氙灯在单位侧面积上的输入电功率相同的情况下,绝对光谱辐射强度分布和光电转换效率是相近的.在以前的研究中,大多用电流密度作为描述氙灯工作特性的参数,把氙灯等离子体当作光性薄来处理.用氙灯单位侧面积上的输入电功率作为描述氙灯工作特性的参数,把氙灯等离子体当作光性厚来处理.实际上,氙灯等离子体的发光更接近于光性厚,在某些条件和波长下甚至可以看成是灰体辐射.
(2)氙灯的输出光谱和输入功率之间存在约30μs的时间延迟,这个时间延迟是长输入脉冲氙灯放电的特性,表明氙灯等离子体的辐射需要时间.在比较小的输入能量情况下,观察到了更长的时间延迟和输入功率与输出功率之间的形状变化.
312 能量沉积分布和增益均匀性
钕玻璃放大器的技术基础是泵浦源及其在激光介质中的能量沉积,它决定了增益、增益均匀性、效率及动态光学质量等关系全局的重要参数,因此,各国实验室都花大量的精力研究泵浦光在钕玻璃内的沉积问题.美国海军实验室Alexander和Troost等首次用蒙特卡罗和光线追迹方法完成了泵浦光在放大器腔内传输的模拟计算程序ZAP.ZAP可以模拟计算泵浦光在放大器内的能量沉积分布和泵浦光在腔内的传输效率,能对比较复杂的泵浦腔形状和比较宽的泵浦光波长范围进行分波长计算.
利弗莫尔实验室在泵浦能量沉积和增益均匀性方面也完成了大量的卓有成效的工作,可以分为以下两个方面:
(1)单元激光放大器SSA的研制.1984年,利弗莫尔实验室为了提高钕玻璃放大器的储能效率,同时考核用于设计高功率固体激光装置的模拟计算软件,建造了单元激光放大器SSA. SSA共有4块矩形的钕玻璃片,优化之后的SSA激光放大器储能效率达到7%,是NOVA 装置储能效率的3倍.这些优化设计包括:优化氙灯的封装系数、反射器构形、泵浦脉冲宽度和采用预电离电路.他们同时还发展了用于计算SSA性能的模拟程序,这些内容包括:用光线追迹方法优化设计反射器的形状;用与时间有关的氙灯光谱去预言钕玻璃的泵浦效率,建立了氙灯的辐射光谱模型,研究了氙灯的输出功率随输入功率的变化关系等.
(2)组合放大器(MSA)的研制.1989年,利弗莫尔实验室建造了第一台一片长的2×2组合式放大器MSA-1,几个光束均包含在同一个放大器壳体内.MSA比传统的单一口径放大器造价低的原因主要有以下3个方面:(1)放大器更加紧凑,从而减小了尺寸;(2)是高了泵浦效率,降低了能源系统的造价;(3)减少了放大器内部元件的数量.在MSA-1上得到如下结果:中间的氙灯阵列比边缘氙灯阵列具有更高的泵浦效率.
虽然组合放大器MSA-1具有比较高的储能效率,但是它的增益均匀性却很差,增益沿口径方向的起伏非常严重.为了改进增益均匀性,利弗莫尔实验室发展了B EAML ET的原型样机(MSA-2),在MSA-2上做了大量的优
化设计工作.这些工作包括:优化设计了MSA -2的泵浦腔和泵浦源,放大器增益分布的预估,13束增益探针的方法测量放大器的增益分布,ASE对增益均匀性的影响.
313 BEAML ET放大器的设计与性能
1994年,利弗莫尔实验室为了全面考核、验证用于国家点火装置(N IF)的关键技术和元器件,又建立了B EAML ET激光装置.这些关键问题包括制造大口径激光玻璃的可行性、ASE的增加对储能效率和增益均匀性的影响.
B EAML ET放大器同时验证了组合式放大器(MSA)机械设计的许多进步点,这些优点都将用于国家点火装置(N IF)的设计中.
B EAML ET装置采用2×2矩阵排列的4个口径的MSA结构,B EAML ET包含两台大型的放大器:一台是11片组成四通谐振腔放大器,另一台是5片的单通助推放大器,通光口径为3915cm×3915cm.利弗莫尔实验室在B EAML ET装置上测量了如下几个方面的增益特性:水平增益分布与氙灯爆炸系数之间的关系:水平增益分布随时间变化的关系;全口径增益分布;ASE的衰减速率对增益分布的影响;储能效率.
314 热畸变效应
泵浦引入的光束偏转和波前畸变主要由两个原因引起:(1)当泵浦光沉积在一面的热能比另一面多时,激光玻璃片弯曲,这将引起光束偏转和在整个口径上的波前畸变;(2)包边吸收ASE和寄生振荡的能量而使得包边加热,由此引起的热膨胀在包边约一个片厚的范围内,产生相当大的波前畸变.这种波前畸变可以通过合理地设置放大器的通光口径来消除.
31411 物理模型和计算程序
1984年,利弗莫尔实验室首次完成了用有限元的方法求解热传导问题的计算机模拟程序———TOPAZ.TOPAZ是一个二维计算机程序,可以用来求解平面的或轴对称的温度场.后来又把该程序升级为一个三维计算程序TOPAZ3D,完成了研究片状放大器热畸变效应的3个计算机程序,这3个程序分别是TOPAZ3D,N I KE3D和OPTICS.第1个程序用来计算玻璃片内的温度分布,片表面的热交换系数和冷却气流的温度作为计算的边界条件;第2个程序用来计算玻璃片内位移和应力分布,计算中假设玻璃片的每个面都不受约束,第3个程序用来计算激光位相畸变.
31412 实验研究
1994年,利弗莫尔实验室在B EAML ET装置上测量了泵浦引入的波前畸变.全口径上的泵浦引入的光束偏转角在15μrad以内,泵浦引入的相位畸变小于2个波长(11053μm).从束偏转测量中所得到的主要结论是:(1)在距包边半个片厚度外的中央区域内,泵浦引入的波前畸变对通光口径的竖直位置只有较弱的依赖关系;(2)在水平方向泵浦引起的束偏转比竖直方向大得多;(3)泵浦引入的束偏转在端片中比中央片大得多.
1995年,利弗莫尔实验室首次测量了组合放大器(MSA)中的热恢复过程.结果表明,放大器的冷却过程可以用两个重要的时间概念来描述,一是玻璃片内的温度梯度消失时的时间(称为自平衡时间),二是玻璃片恢复到它打靶之前的温度的时间(称为片平衡时间).一般地,片平衡时间是自平衡时间的2—3倍.对即将用于N IF装置中的大口径放大器内的热性能也进行了分析.N IF装置空气或氮气来冷却氙灯盒和屏蔽罩,初步的分析表明,以每支氙灯10ft3/min的速率冷却是有效的方法,足以满足N IF装置6h达到热平衡的要求.
315 优化设计的模拟程序
我们充分借鉴了国内外关于钕玻璃放大器优化设计的先进成果,研究了钕玻璃放大器优化设计所涉及的主要物理问题,编制了一套用于优化设计的计算机模拟程序.这套程序既吸取了国外的先进成果,又不受制于人,具有自主版权.整套程序包括以下方面的内容:
(1)LC网络电路的放电特性,首次考虑了氙灯放电过程中等离子体直径随时间的变化;氙灯的辐射光谱,在国内首次运用最新的氙灯辐射光谱模型计算了氙灯的绝对辐射光谱强度
和对时间积分的光谱效率;粒子数反转随时间变化的动力学过程.
(2)放大器内能量沉积分布,包括自发辐射放大引起的能量沉积的再分布,首次研究了包边吸收ASE 能量沿周长的不对称分布.
(3)泵浦期间和冷却过程中棒状放大器内的温度分布、应力分布和光束畸变.
(4)钕玻璃参数的最佳选择,首次从实验和理论上研究了国产磷酸盐钕玻璃的荧光寿命和损耗对其增益性能的综合影响,确定了两者之间的定量关系.
4 钕玻璃固体激光器进一步发展的方向
目前,钕玻璃固体激光器进一步的发展主
要集中在以下一些方面:开拓新的系统概念设计和总体技术路线研究;根据钕玻璃放大器在工作过程中能量转换的各个环节,对放大器的各个元器件进行优化设计;提高效率,降低造价;大幅度提高负载强度,产生合适的激光脉冲宽度和波形;提高光束质量,完善大口径高效率倍频;研究靶场光学和提高靶面均匀照明,提高参数测量和光学诊断技术,精密机械技术和实验室环境工程研究等.
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3 中国科学院开放实验室资助课题
1998-04-03收到初稿,1998-05-25修回
金属泡沫材料研究3
朱 震 刚
(中国科学院固体物理研究所,内耗与固体缺陷研究实验室,合肥 230031)
摘 要 金属泡沫或金属多孔材料是80年代后期国际上迅速发展起来的一种物理功能与结构一体化的新型工程材料.它所具备的多种优异物理性能特别是阻尼性能已引起广泛关注,并在消声、减震、分离工程、催化载体、屏蔽防护、吸能缓冲等一些高技术领域获得了广泛应用.文章着重介绍了铸造发泡法制造铝泡沫材料的技术难点.对金属泡沫材料的力学性质和阻尼特性进行了详细介绍.为金属泡沫材料开发、应用提供基础知识和信息.
关键词 金属泡沫,铸造发泡,阻尼
METALL IC FOAM MATERIALS
Zhu Zhengang
(L aboratory of Internal Friction and Def ects in Solid ,Instit ute of Solid State
Physics ,The Chinese Academy of Sciences ,Hef ei 230031)
Abstract Metallic foam or porous materials were developed at the end of the 80’s and applied to industry at the beginning of the 90’s.They have excellent physical properties ,especially damping characteristis ,so they are widely used for vibration insulation ,noise elimination ,electromagnetic screen 2ing and so forth.A description is given of the “casting and foaming ”method for the fabrication of these
微波线性功率放大器综述 1概述 微波线性功率放大器在现代微波（无线）通信系统中的重要性越来越大。特别是在CDMA 体制移动通信系统中，线性功率放大器已经是必不可少的重要部件。 2基本指标 2.1 AM/AM AM/PM失真 一个HPA的线性特征可以用AM/AM和AM/PM 曲线来表示. 输入的RF 信号可以表示为： x(t)=R i(t)?cos[ω0t+θx(t)] (1) 相应的输出表示为： y(t)=G[R i(f)] ?cos{ω0t+θx(t)+ψ[R i(f)]} (2) 其中G和ψ表示AM/AM 和AM/PM曲线，如图一。 图. 1 实测的放大器失真曲线 理想的线性功放的曲线如图2。 图. 2 理想的放大器AM/AM和AM/PM曲线
2.2 双音IMD 、IP3、P1dB 双音IMD ，在放大器输入端加入两个CW 信号，在放大器的输出端测量的3阶、5阶等信号大小，以dBc 表示。 IP3 IMD 、IP3及P 1dB 定义图示 2.3 ACPR ACPR 主要应用在象CDMA 这样的宽频谱信号的研究上。邻道功率（ACP ）定义为当主信道加一信号时，紧邻主信道的两个信道内的功率大小。邻道功率的产生主要来自两个方面，一是由于器件的非线性作用产生，二是由于主信道信号本身频谱较信道宽。ACPR 定义为ACP 功率与主信道功率的比值。 图3 邻道功率（ACP ）定义 图4 器件非线性产生的邻道功率 对移动通信的CDMA 信号而言，其IM3（即ACPR ）与IP3的关系可以通过一公式表示。 IP3=-5log[P IM3(f 1,f 2)B 3/P O [(3B-f 1)3-(3B-f 2)3]]+22.2 (dBm) 其中： P IM3(f 1,f 2) 表示要求的IM3的输出功率（W ） B 表示二分之一CDMA 信号带宽 （KHz ） f 1,f 2表示两个边带频率相对于中心频率的差值（KHz ）
GDPH-270激光放大器使用说明 一、调整放大器设定值 放大器是检测PVC两板之间泡沿距离大小的一种传感器。如果设置不好，放大器将找不到两版之间的最大值，会导致冲裁初始化失败，也会导致冲裁步进的不准确，从而影响照相检测功能。一般情况下，只需要调整放大器设定值就可以满足要求，调整放大器设定值的方法如下。 设定放大器的数值可以通过手动把PVC片子慢慢的通过冲裁导板的检测区域观察放大器的数值变化，记住放大器数值的最大值，然后用最大值减去200-400就是我们需要设定的数值，然后把这个数值输入到放大器中就可以了。把数值输入到放大器的方法是：直接按住放大器的左右键入下图1-25所示。 图1-25 放大器设置 图中区域1为黄色数值是需要设置的数值，就是需要人为输入进去的数值。 区域2红色数字是所检测到的实际数值，区域3是放大器的左右键，即手动按钮，直接按下即可增大或减小设定数值。 一般情况下只需要调整设定值就可以满足现场要求，如果工艺改变，实际检测精度达不到要求，可以更改放大器的灵敏度，可以对放大器进行复位和初始化等操作，详细方法见本说明第二章。 二、激光传感器设置 -1-
第一章第7步介绍了调整放大器设定值的方法，如果实际检测精度达不到要求，可以更改放大器的灵敏度，2.1节为调整灵敏度方法。2.2节为初始化放大器的方法，如果需要复位，可参照2.3节的步骤。如果需要重设默认值，可以对放大器初始化。2.4节为激光传感器感测头安装要求。 2.1灵敏度设置 放大器灵敏度共分5档，下面再简单介绍一下如何设置放大器灵敏度。 第一步：按住“MODE”键3秒钟以上，如下图所示： 图2-1 灵敏度调整 第二步：按方向键，将出现几种模式，默认为“”模式，可根据所需灵敏度来选择不同的模式。例如，如果要求灵敏度较高，可选择“hsp”模式。 第三步：按“MODE ”键，显示“”，再按“MODE”键，显示“”，再按“MODE”键，出现数字，这样就完成了放大器的灵敏 -2-
南昌大学实验报告 学生姓名：付文平学号： 6102215151 专业班级：通信154班实验类型：■验证□综合□设计□创新实验日期： 2017.10.31 实验成绩：实验名称：非线性丙类功率放大器实验报告 一、实验目的 1、了解丙类功率放大器的基本工作原理，掌握丙类功率放大器的调谐特性以及负载变化时的动态特性。 2、了解激励信号变化对功率放大器工作状态的影响。 3、比较甲类功率放大器与丙类功率放大器的功率、效率与特点。 二、实验内容 1、观察高频功率放大器丙类工作状态的现象，并分析其特点。 2、测试丙类功放的调谐特性。 3、测试丙类功放的负载特性。 4、观察激励信号变化、负载变化对工作状态的影响。 三、实验仪器 1、信号源模块 1块 2、频率计模块 1块 3、8 号板 1块 4、双踪示波器 1台 四、实验原理 非线性丙类功率放大器的电流导通角θ＜90〇效率可达到80%，通常作为发射机末级功放以获得较大的输出功率和较高的效率。特点：非线性丙类功率放大
器通常用来放大窄带高频信号(信号的通带宽度只有其中心频率的1％或更小)，基极偏置为负值，电流导通角θ＜90〇，为了不失真地放大信号，它的负载必须是LC谐振回路。 丙类功率放大器 丙类功率放大器的基极偏置电压V BE 是利用发射极电流的直流分量I EO （≈I CO ） 在射极电阻上产生的压降来提供的，故称为自给偏压电路。当放大器的输入信号为正弦波时，集电极的输出电流i C 为余弦脉冲波。利用谐振回路LC的选频作用 可输出基波谐振电压v c1,电流i c1 。下图画出了丙类功率放大器的基极与集电极间 的电流、电压波形关系。分析可得下列基本关系式： 式中，V c1m 为集电极输出的谐振电压及基波电压的振幅；I c1m 为集电极基波电流振 幅；R 为集电极回路的谐振阻抗 2 1 2 1 1 12 1 2 1 2 1 R V R I I V P m c m c m c m c C = = = 式中，P C 为集电极输出功率. 式中，P D 为电源V CC 供给的直流功率；I CO 为集电极电流脉冲i C 的直流分量。放大器的效率 1 1 R I V m c m c = CO m c CC m c I I V V 1 1 2 1 ? ? = η
激光器的分类 自从上世纪60年代以来，激光器已经发展出了众多类型，主要包括不同的工作介质、不同的脉宽，因此我们按照激光器的工作介质和输出脉冲两个思路对目前主要的激光器进行分类，并且介绍相关的激光术语。 按激光工作介质，激光器可以分为固体激光器、气体激光器、半导体激光器、光纤激光器、染料激光器和自由电子激光器。 固体激光器(晶体，玻璃)：在基质材料中掺入激活离子而制成，都是采用光泵浦的方式激励。 1）钕玻璃激光器：在玻璃中掺入稀土元素钕做工作物质， 输出波长：λ=1.053μm 2）红宝石激光器： 输出波长：λ=694.3nm， 输出线宽：?λ=0.01～0.1nm 工作方式：连续，脉冲 3）掺钕钇铝石榴石(Nd:YAG)：YAG晶体内掺进稀土元素钕，
输出波长：λ=1064nm,914nm,1319nm 工作方式：连续，高重复率脉冲 连续波可调谐钛蓝宝石激光器： 输出波长：λ=675～1100nm 气体激光器：在单色性/光束稳定性方面比固体/半导体/液体激光器优越，频率稳定性好，是很好的相干光源，可实现最大功率连续输出，结构简单，造价低，转换效率高。谱线丰富，多达数千种(160nm--4mm)。 工作方式：连续运转(大多数) 1）氦-氖激光器： 常用的为λ=632.8nm 根据选择的工作条件激光器可以输出近红外，红光，黄光，绿光 (λ=3.39μm,1.15μm) 2）CO2激光器：λ=10.6μm 3）氩离子气体激光器：λ=488nm,514.5nm 4）氦-镉激光器：波长为325nm的紫外辐射和441.6nm的蓝光 5）铜蒸汽激光器：波长510.5nm的绿光和578.2nm的黄光 6）氮分子激光器：紫外光，常见波长：337.1nm，357.7nm 半导体激光器：由不同组分的半导体材料做成激光有源区和约束区的激光器；体积最小，重量最轻，使用寿命长，有效使用时间超过10万小时。工作物质包括GaAS(砷化镓)，InAS(砷化铟)，Insb(锑化铟)，CdS(硫化镉)。 输出波长范围：紫外，可见，红外 DFB半导体激光器，
线性化微波功放现状及发展趋势 学院：电子工程学院 专业：电磁场与微波技术 教师：徐瑞敏教授 姓名：XXX 学号：2014210202XX 报告日期：2014.10.26
线性化微波功放现状及发展趋势 一、引言 电磁波和低频率端相比高频率端拥有其独特的优点，近年来尤其是微波毫米波电路作为航空航天的无线通信手段得到广泛应用。但是在几乎所有的微波电子系统中，要将信号放大都需要微波功放，因此微波功放在微波有源电路中拥有了无可比拟的重要地位。对微波功放,除了有一定的功率输出和增益指标以外,线性度也是一个十分重要的指标。例如在微波测试设备中,由于功放的非线性失真所产生的谐波往往影响了测试精度;在移动通信的基站和移动站中,功放的非线性失真往往会产生邻道干扰,从而引起信号失真。因此,在这些设备中对功放的线性度提出了很高的要求。 对功放线性度的衡量可从两个指标来考察:一为谐波抑制度,当放大器输人频率为f0的单频信号时,由于非线性失真,会产生频率为nf0等的谐波,如图1所示,输出主频与谐波的功率电平之差即为谐波抑制度,用dBc表示。 第二个衡量指标为三阶交调系数。当放大器输人一定频率间隔(例如SMH:)、幅度相同的频率为f,和f:两信号时,由于非线性失真,在放大器输出端除了放大的f’,和f:外,还有2j,;一J:和2j:一f,,此为三阶交调频率,如图1(b)所示,主频与三阶交调频率的功率电平之差即为功放的三阶交调系数,用(IBc表示也可用一分贝压缩点来表示功放的线性度的,一分贝压缩点与三阶交调之间具有换算关系。 二、功率放大器的非线性特性 现在一方面人们追求更高的功率利用率，另一方面是日益发展的无线通信产业的要求迫使我们不得不给予功率放大器的线性化问题以足够重视。要研究线性化技术，首先必须了解功率放大器的非线性失真特性，以做到有的放矢。 理想情况下，功率放大器工作在线性状态，传输系数与输入信号的幅度和相位无关。但在实际情况中并非这么简单，由于晶体管的特性，在达到一定输入功率时，放大器将呈现出非线性。信号的输入输出不在是上面简单的函数关系。放大器随着输入信号的增大，从线性区进入非线性区，此时功放的增益不再是常数，而是一个与输入信号有关的变量，输入输出呈非线性，甚至在达到一定输入功率后，功放输出将不再增加。此外功率放大器输出端产生了与输入频率有关的新的频率分量，当信号输入时，除了基波分量，还会出现各阶互调分量和高次谐波分量。这种非线性特性，在通信系统中对相邻信道的干扰，降低系统的性能。对于
非线性丙类功率放大器实验报告 姓名: 学号: 班级: 日期: 37 38 非线性丙类功率放大器实验 一、实验目的 1. 了解丙类功率放大器的基本工作原理, 掌握丙类放大器的调谐特性以及负载改变时的动态特性。 2. 了解高频功率放大器丙类工作的物理过程以及当激励信号变化对功率放大器工作状态的影响。 3. 比较甲类功率放大器与丙类功率放大器的功率、效率与特点。 二、实验基本原理 非线性丙类功率放大器的电流导通角 o 90<θ, 效率可达到 80%,通常作为发射机末级功放以获得较大的输出功率和较高的效率。特点:非线性丙类功率放大器通常用来放大窄带高频信号 (信号的通带宽度只有其中心频率的 1%或更小 ,基极偏置为负值,电流导通角o 90<θ,为了不失真地放大信号,它的负载必须是 LC 谐振回路。 丙类功率放大器
丙类功率放大器的基极偏置电压 V BE 是利用发射极电流的直流分量 I EO (≈ I CO 在射极电阻上产生的压降来提供的,故称为自给偏压电路。当放大器的输入信号 ' i v 为正弦波时,集电极的输出电流 i C 为余弦脉冲波。利用谐振回路 LC 的选频作用可输出基波谐振电压 v c1, 电流 i c1。图 8-3画出了丙类功率放大器的基极与集电极间的电流、电压波形关系。分析可得下列基本关系式: 011R I V m c m c = 式中, m c V 1为集电极输出的谐振电压及基波电压的振幅; m c I 1为集电极基波电流振幅; 0R 为集电极回路的谐振阻抗。 2102111212121R V R I I V P m c m c m c m c C === 39 式中, P C 为集电极输出功率 CO CC D I V P = 式中, P D 为电源 V CC 供给的直流功率; I CO 为集电极电流脉冲 i C 的直流分量。 放大器的效率η为 CO m c CC m c I I V V 1121? ?
几种常见的光放大器的比较
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对几类放大器的认识 在DWＤM系统中,特别是超远距离的传输中,由于不可避免的存在光纤信号功率的损失和衰减，所以补偿是必要的。现在常用的放大器有掺铒光纤放大器(EＤFＡ）,拉曼放大器（ＦRA),半导体激光放大器(SOＡ),光纤参量放大器(ＯPA)。现就这几类放大器的工作原理和特殊情况做一下说明。 1)掺铒光纤放大器(EDＦA） EDFA（Erbiur Ｄｏpeｄ Fｉber Amplifeｒ)是光纤放大器中具有代表性的一种。由于EDFA工作波长为１５5０nm,与光纤的低损耗波段一致且其技术已比较成熟，所以得到广泛应用。掺铒光纤是EDFＡ的核心原件，它以石英光纤作基质材料,并在其纤芯中掺入一定比例的稀土原素铒离子（Eｒ３+)。当一定的泵浦光注入到掺铒光纤中时,Ｅr3+从低能级被激发到高能级,由于Eｒ3+在高能级上寿命很短，很快以非辐射跃迁形式到较高能级上，并在该能级和低能级间形成粒子数反转分布。由于这两个能级之间的能量差正好等于1550ｎm 光子的能量，所以只能发生１550ｎm光的受激辐射，也只能放大1５50nm的光信号。 EＤFA的组成: 工作原理图:
那么，ＥDFA的输出公路车是如何控制的呢？ 一般来说,EＤFA的输出功率与输入信号光强度，铒纤的长度以及泵浦光的强度。 在EＤＦA使用的过程中,一般要控制好EＤFA的平坦增益，那么不平坦的增益和平坦增益有什么区别呢？ 平坦的输出增益会使ＥDFA放大的输出功率得到一个稳定的信号增益。 如何控制增益?增益的控制室有2种选择的,一种是掺金属元素,另外一种是GFF定制，所谓的掺金属元素是值得是掺杂金属铝元素。
文章编号:100123806(2003)0120001203新型高功率固体激光阵列式片状放大器3 王成程 於海武 周 海 刘 勇 郑万国 (中国工程物理研究院激光聚变研究中心,绵阳,621900) 摘要:4×2阵列式片状放大器系统是我国正在建造的大型激光驱动器装置的核心组成部分,将直接确定整个装置的能量转换效率和总体结构。放大器系统采用模块化方案设计可以有效提高装置的可维护性,减少运行维护时间,提高运行效率和装置的性价比。报道了一台通光口径为29cm ×29cm 的新型氙灯泵浦钕玻璃激光阵列式片状放大器模块的研制情况,介绍了放大器系统的结构组成,并给出了有关设计参数。 关键词:阵列式片状放大器;氙灯泵浦;磷酸盐激光玻璃 中图分类号:TN24811+2 文献标识码:A A ne w high pow er solid 2state laser multi 2segment 2amplif ier W ang Chengcheng ,Y u Haiw u ,Zhou Hai ,L i u Yong ,Zheng W anguo (Research Center of Laser Fusion ,CAEP ,Mianyang ,621900) Abstract :The 4×2multi 2segment 2amplifier system is the hardcore of the high power solid 2state laser driver which has been built in China ,the energy conversion efficiency and structure of the laser facility have been decided by it.It is availability to adopt the project of module design to improve the maintainability and reduce the maintenance standby time ,it also improves the running efficiency and the ratio between performance and price.In this paper ,the development progress of a new high power solid 2state laser multi 2segment 2amplifier with 29cm 2square each aperture has been reported.The structure and characters of the multi 2segment 2amplifier are introduced here. K ey w ords :multi 2segment 2amplifier ;flash 2lamped pumping ;phosphate laser glass 3国家八六三计划惯性约束聚变领域重点资助项目。 作者简介:王成程,男,1974年3月出生。助研。主要从事高功率固体激光放大器技术研究。 收稿日期:2002203215;收到修改稿日期:2002205208 引 言 在高功率固体激光驱动器30多年的发展历程 中,激光驱动器技术得到了飞速的发展。世界许多国家的著名实验室如美国利弗莫尔实验室、法国里梅尔实验室、日本大阪大学激光工程中心等成功研制了各种规模和水平的高功率激光装置。美国利弗莫尔实验室从70年代开始建造大型高功率固体激光系统,在高功率激光装置的研究方面一直处于世界领先地位,先后建造了Janus (1974年),Argus (1976年),Shiva (1977年),Novette (1983年),Nova (1984年)等固体激光系统。其中,片状放大器是整个驱动器的核心部分,对系统的总体性能有着重要影响,其性能的好坏直接影响装置的输出能量和功率。为了对放大器的物理问题进行深入的研究,美 国利弗莫尔实验室先后建造了SSA ,MSA 21,MSA 22等放大器单元器件,1994年为了全面考核、验证用于国家点火装置(N IF )的关键技术和元器件,又建立了Beamlet 激光装置[1],该系统采用了以阵列式片状放大器(MSA )为主体的多程放大结构,实验证明,这种结构可以有效地提高整个系统的能量转换效率和装置的性能价格比[2,3]。 片状放大器系统是我国正在建造的新一代激光驱动器中最重要的组成部分,将直接决定整个装置的能量转换效率、总体结构布局、运行稳定性、可靠性和造价。为此,以系统总体需求为牵引,笔者已深入开展了片状激光放大器的研制,利用24cm 方口径的3片长单口径片状放大器(SSA ),已经成功开展了新一代激光装置主放大器的原理性研究,并获得了一系列重要的实验结果[4～9],由于SSA 的泵浦腔腔传输效率较低,导致整个系统的储能效率偏低,并且其安装性能和维护性能不能满足新一代大型激光装置高集成度、高性能价格比的需求,因此,开展了4×2×3新型阵列式片状放大器单元的研制工作。通过多口径组合和全模块化设计,使系统具有 第27卷 第1期 2003年2月 激 光 技 术 LASER TECHNOLO GY Vol.27,No.1February ,2003
高效率功率放大器的现状及发展趋势 学院：电子工程学院 专业：电磁场与微波技术 ：王元佳 学号：201320000289 报告日期：2013.11.05
一、引言 现代通信系统中的射频系统要求功耗低、效率高以及体积小。近年来，无线通讯朝大容量、多电平、多载波、高峰均比和宽频带方向飞速发展，宽带数字传输技术（如OFDM、CDMA等）和高频谱效率的调制方式（如QPSK、QAM等）正获得越来越广泛的应用，从而对射频系统性能提出更为苛刻的要求。功率放大器作为射频系统的关键部件，其所消耗的功率在整个射频系统所占比例相当大。低效率的功率放大器严重影响系统的整体性能。所以，设计高效率射频功率放大器对于减少电源消耗，提高系统稳定性，节约系统成本都由十分重大的意义。 传统的功率放大器通过调整工作状态（即调整晶体管导通角）来提高效率，这就是A类、B类、AB类、C类功率放大器的演进过程。其中C类功率放大器的理论效率最高达到100%，但此时其输出功率却为零。其根本原因在于，上述功率放大器工作状态下电流、电压同时存在于晶体管中，要使晶体管的耗散功率为零，必然使输出功率也为零。通过不断减小导通角的方式已不能满足不断提高效率的要求。为进一步提高效率，晶体管工作在开关状态的功率放大器应运而生。 二、研究现状 2.1 高效率功率放大器 2.1.1 D类功率放大器 当前，国内外高效率射频功率放大器的研究都集中在开关模型功率放大器及高效率功率放大器结构上。开关模型功率放大器主要有D、E两类。其设计思想都是使晶体管上“电流、电压不同时出现”。D类功率放大器一般由两个晶体
管构成，两只晶体管轮流导通、截止，实现电流、电压的不同时出现条件。但其晶体管和寄生电容耗能都是单管放大电路的双倍。同时，在开关瞬间存在两晶体管同时导通或截止引起二次击穿造成晶体管损坏的危险。工作频率比较低时,晶体管开关延时可以忽略,晶体管近似理想开关,不会产生损耗；在高频下,晶体管开关延时不可忽略,会引入损耗,另外元器件本身也会有损耗。因此,D类功放适合于频率较低的应用,并不适用于射频领域，D类放大器现在主要应用于音频领域。如图所示为D类功率放大器的电路结构。 2.1.2 E类功率放大器 为了克服D类功放在不完全导通与不完全截止过程中引入的较大损耗,提出了E类功放的设计。与D类功放不同,E类功率放大器采用单只晶体管,可工作于较高的频段，漏极电流为直流和漏极分路电容的充电电流之和。E类放大器是一种开关式的高效率放大器,理想情况下,效率可达100%。在这种功率放大器中,足够强的驱动电压使得输出功率管在完全导通和完全截止之间瞬时切换,流过开关的电流与开关上电压波形没有重叠,因而开关不消耗功耗。E类功率放大器的主要设
对几类放大器的认识 在DWDM系统中，特别是超远距离的传输中，由于不可避免的存在光纤信号功率的损失和衰减，所以补偿是必要的。现在常用的放大器有掺铒光纤放大器（EDFA）,拉曼放大器（FRA），半导体激光放大器（SOA），光纤参量放大器（OPA）。现就这几类放大器的工作原理和特殊情况做一下说明。 1）掺铒光纤放大器（EDFA） EDFA（Erbiur Doped Fiber Amplifer）是光纤放大器中具有代表性的一种。由于EDFA 工作波长为1550nm，与光纤的低损耗波段一致且其技术已比较成熟，所以得到广泛应用。掺铒光纤是EDFA的核心原件，它以石英光纤作基质材料，并在其纤芯中掺入一定比例的稀土原素铒离子（Er3+）。当一定的泵浦光注入到掺铒光纤中时，Er3+从低能级被激发到高能级，由于Er3+在高能级上寿命很短，很快以非辐射跃迁形式到较高能级上，并在该能级和低能级间形成粒子数反转分布。由于这两个能级之间的能量差正好等于1550nm光子的能量，所以只能发生1550nm光的受激辐射，也只能放大1550nm的光信号。 EDFA的组成： 工作原理图： 那么，EDFA的输出公路车是如何控制的呢？ 一般来说,EDFA的输出功率与输入信号光强度，铒纤的长度以及泵浦光的强度。 在EDFA使用的过程中，一般要控制好EDFA的平坦增益，那么不平坦的增益和平坦增益
有什么区别呢？ 平坦的输出增益会使EDFA放大的输出功率得到一个稳定的信号增益。 如何控制增益？增益的控制室有2种选择的，一种是掺金属元素，另外一种是GFF定制，所谓的掺金属元素是值得是掺杂金属铝元素。 有上图可以知道，掺铝的金属元素的EDFA在增益的控制上明显要比不掺铝的EDFA平坦的多。 需要注意的是：EDFA在放大信号的同时也放大了噪声，而噪声主要来自EDFA的自身受激辐射，是主要的噪声源，也是系统OSNR劣化的主要原因。 放大器产生的自发辐射噪声功率为：PASE = -58 + NF + G （dBm） 其中NF为光放大器噪声系数（dB）、G为光放大器的增益（dB）
一、功率放大器基本电路特点 互补对称式OTL功率放大器基本电路如图①所示。其中： C1为信号输入偶合元件，须注意极性应于实际电路中的电位状况保持一致。R1和R2组成BG1的偏置电路，给BG1提供静态工作点，同时也在整个电路中起到直流负反馈作用。要求通过R1的电流大于BG1的基极电流至少5倍，按照β为100、Ic1为2mA计算，R1应不大于6k，故给定为5.1k；C1因此也相应给定为22μ，它对20Hz信号的阻抗为362Ω；R2需根据电源采用的具体电压确定，约为R1（E/2-0.6）/0.6，按照32V电压值应取为约120K，确切值通过实际调试使BG1集电极电压为15.4V来得到。 C2与R3构成自举电路，要求R3×C2＞1/10、（R3＋R4）×Ic1＝E/2－1.2，因R4是BG1 的交流负载电阻，应尽可能取大一点，R3一般取在1k之内。按照32V电源电压值和Ic1为2mA进行计算，R3与R4之和为7.2k，实际将R3给为820Ω、R4给为6.8k，Ic1则为1.94mA；C2因此可取给为220μ。 R5和D是BG2、BG3互补管的偏置电路元件，给BG2、BG3共同提供一个适当静态工作点，在能够消除交越失真情况下尽量取小值，根据实验结果一般取在3mA～4mA；改变R5阻值可使BG2与BG3的基极间电压降改变而实现对其静态工作的调整，与R5串联的D是为了补偿BG2、BG3发射结门坎电压随温度发生的变化，最好采用两只二极管串联起来补偿互补管发射结门坎电压随温度发生的变化，使互补管静态工作点稳定。简化电路中省略使用一只二极管。并联在BG2、BG3基极间的C4，可使动态工作时的ΔUAB减小，一般取为47μ；C3是防止BG1产生高频自激的交流负反馈电容，一般取为47P～200P。 BG1起电压放大作用，在该电路中被称为激励级，要求Buceo＞E、Iceo≤Ic1/400＝5μA、β＝100～200，所以应选用小功率低噪声三极管。BG2和BG3是互补电流放大极，分别与BG4、BG5构成复合管对输出电流进行放大，要求Buceo＞E、Iceo≤Ic2/100＝30μA、β＝100～200。在BG4、BG5使用普通大功率三级管而不是内部已经做成复合式大功率三级管的情况下，BG2与BG3需要提供给后级大功率三级管超过100mA的峰值驱动电流，因此应使用中功率三级管。BG4和BG5是负责放大输出电流的大功率管，静态工作电流可取在10mA～30mA，要求Buceo＞E、Iceo≤Ic4/100＝0.1mA、β＝50～100。BG4和BG5的最大极限电流Imax应该比输出电流最大幅值大1倍，方能保证输出电流最大幅值时β＞10。 R6和R7分别是BG4和BG5静态工作点调整分流电阻，动态工作时的分流作用可以忽略不计。在Ube4和Ube5都等于0.6V标准参数时，由互补电流放大级的静态工作电流取在3mA～4mA，可计算出R6和R7应取为220Ω。实际上，大功率三级管Ube可能相差较大，BG4和BG5的Ube需通过实测进行配对使用，借助自举电路工作的半边复合管的总电流放大率应应比不借
课程设计任务书 学生姓名：专业班级：电子1003班 指导教师：葛华工作单位：信息工程学院 题目: 功率放大器的设计 初始条件： 计算机、Proteus软件、Cadence软件 要求完成的主要任务:（包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求） 1、课程设计工作量：2周 2、技术要求： （1）学习Proteus软件和Cadence软件。 （2）设计一个功率放大器电路。 （3）利用Cadence软件对该电路设计原理图并进行PCB制版，用Proteus软件对该电路进行仿真。 3、查阅至少5篇参考文献。按《武汉理工大学课程设计工作规范》要求撰写设计报告书。全文用A4纸打印，图纸应符合绘图规范。 时间安排： 2013.11.11做课设具体实施安排和课设报告格式要求说明。 2013.11.11-11.16学习Proteus软件和Cadence软件，查阅相关资料，复习所设计内容的基本理论知识。 2013.11.17-11.21对功率放大器进行设计仿真工作，完成课设报告的撰写。 2013.11.22 提交课程设计报告，进行答辩。 指导教师签名：年月日 系主任（或责任教师）签名：年月日
目录 摘要........................................................................ I Abstract ................................................................... II 1 功放的工作原理及分类 (1) 1.1功放的工作原理 (1) 1.2功放的分类 (1) 2 软件介绍 (2) 2.1 Proteus (2) 2.1.1 Proteus简介 (2) 2.1.2工作界面 (2) 2.1.3 对象的放置和编辑 (3) 2.1.4 连线 (4) 2.2Cadence软件 (4) 2.2.1 Cadence简介 (4) 2.2.2 Cadence软件的特点 (4) 2.2.3电路PCB的设计步骤 (4) 3 设计方案 (6) 3.1 运算放大电路的设计 (6) 3.2 功率放大电路的设计 (7) 3.3 音频功率放大电路 (9) 3.4方案总结及仿真 (10) 4 Candence软件操作 (11) 4.1 Cadence画电路原理图 (11) 4.2 布线及PCB图 (11) 4.2.1布线注意事项 (11) 4.2.2 PCB制作 (12) 5.心得体会 (14) 6.参考文献 (15)
实验七 非线性丙类功率放大器实验 一、 实验目的 1、 了解丙类功率放大器的基本工作原理，掌握丙类放大器的调谐特性以及负载改变时 的动态特性。 2、 了解高频功率放大器丙类工作的物理过程以及当激励信号变化对功率放大器工作状 态的影响。 3、 比较甲类功率放大器与丙类功率放大器的特点 4、 掌握丙类放大器的计算与设计方法。 二、实验内容 1、 观察高频功率放大器丙类工作状态的现象，并分析其特点 2、 测试丙类功放的调谐特性 3、 测试丙类功放的负载特性 4、 观察激励信号变化、负载变化对工作状态的影响 三、 实验仪器 1、 信号源模块 1块 2、 频率计模块 1块 3、 8 号板 1块 4、 双踪示波器 1台 5、 频率特性测试仪（可选） 1台 6、 万用表 1块 四、实验基本原理 放大器按照电流导通角θ的范围可分为甲类、乙类、丙类及丁类等不同类型。功率放大器电流导通角θ越小，放大器的效率η越高。 甲类功率放大器的o 180＝ θ，效率η最高只能达到50%，适用于小信号低功率放大，一般作为中间级或输出功率较小的末级功率放大器。
非线性丙类功率放大器的电流导通角o 90<θ，效率可达到80%，通常作为发射机末级功放以获得较大的输出功率和较高的效率。特点：非线性丙类功率放大器通常用来放大窄带高频信号(信号的通带宽度只有其中心频率的1％或更小)，基极偏置为负值，电流导通角 o 90<θ，为了不失真地放大信号，它的负载必须是LC 谐振回路。 电路原理图如图7-1(见P.48)所示，该实验电路由两级功率放大器组成。其中N 4、T 5组成甲类功率放大器，工作在线性放大状态，其中R 14、R 15、R 16组成静态偏置电阻。N 4、T 6组成丙类功率放大器。R 18为射极反馈电阻，T 6为谐振回路，甲类功放的输出信号通过R 17送到N 4基极作为丙放的输入信号，此时只有当甲放输出信号大于丙放管N 4基极－射极间的负偏压值时，Q 4才导通工作。与拨码开关相连的电阻为负载回路外接电阻，改变S 1拨码开关的位置可改变并联电阻值，即改变回路Q 值。 下面介绍甲类功放和丙类功放的工作原理及基本关系式。 1、甲类功率放大器 1) 静态工作点 如图7-1所示，甲类功率放大器工作在线性状态，电路的静态工作点由下列关系式确定： 15R I v EQ EQ = BQ CQ I I β= V v v EQ BQ 7.0+= 15R I V v CQ CC CEQ -= 2) 负载特性 如图7-1所示，甲类功率放大器的输出负载由丙类功放的输入阻抗决定，两级间通过变压器进行耦合，因此甲类功放的交流输出功率P 0可表示为： B H P P η' 0= 式中，' H P 为输出负载上的实际功率，B η为变压器的传输效率，一般为B η＝0.75～0.85 图7-2为甲类功放的负载特性。为获得最大不失真输出功率，静态工作点Q 应选在交流负载线AB 的中点，此时集电极的负载电阻R H 称为最佳负载电阻。集电极的输出功率P C 的表达式为：
多段式钕玻璃板条激光放大器小信号增益系数和储能效率的实验研究3 冯国英 吕百达 叶一东 蔡邦维(四川大学激光物理与激光化学研究所,成都610064) 淳于咏梅 隋 展 张小民(中物院核物理与化学研究所,成都610003) 摘 要 用阈值法和行波放大法对我们自行设计、加工的新型多段式钕玻璃板条激光放大器的小信号增益系数和储能效率作了测量,结果表明,放大器储能效率可达3184%,比常 规放大器更高;此外,还具有向高功率、高光束质量发展的潜在优点。 关键词 多段式板条激光放大器 储能效率 阈值测量 行波放大 ABSTRACT By m easuring th resho ld and using traveling w ave amp lificati on,the s m all signal gain coefficien t and sto rage effeciency of a novel m ulti2slab N d:glass laser amp lifier de2 signed and fabricated by us have been deter m ined experi m en tally.It has been show n that a sto rage efficiency of3.84%has been ach ieved in the use of th is amp lifier,w h ich is h igher than that of the conven ti onal amp lifier.Further mo re,the m ulti2slab laser amp lifier has the po ten tial advan tage of p roviding the h igh pow er and good beam quality. KE Y WOR D S m ulti2slab laser amp lifier,sto rage efficiency,m easuring the th resh2 o ld,traveling w ave amp lificati on. 0 引 言 采用“之”字形光路的板条状工作物质较易得到好的泵浦均匀性和热分布,为获得好的光束质量打下了基础。钕玻璃板条可做到表面积较大,有更好的散热性和热负载能力,适合作大功率器件。研制效率高、增益均匀性好、热畸变小的钕玻璃放大器是很有价值的课题。美国劳仑兹—利弗莫尔国家实验室(LLNL)已研制成了输出能量22J、脉冲宽度12n s、重复频率为3H z的钕玻璃板条再生放大器[1];俄罗斯瓦维洛夫光学所也采用堆迭的钕玻璃板条制成了重复频率为2H z、输出能量达100J的放大器组件[2]。目前,国内尚未见多段式钕玻璃板条放大器的研究报告。我们自行设计、加工了多段式钕玻璃板条放大器,并用阈值法和行波放大法测量了小信号增益系数和储能效率,还与“星光 ”激光装置上使用同种材料的棒状放大器的有关实验结果作了比较。 1 实验装置 111 多段式板条激光放大器结构 我们的多段式板条激光放大器模型采用有创新特色的光炉式结构,如图1所示。三根1996年5月H IGH POW ER LA SER AND PA R T I CL E BEAM S M ay,1996 3中国工程物理研究院科学技术基金和国家高技术惯性约束聚变领域资助项目。 1995年6月15日收到原稿,1995年11月30日收到修改稿
短波线性功率放大器的原理与调试 本文就300瓦线性短波功率放大器的原理和调试作个简单介绍。 1 电路结构： z功率放大器由T1（9：1）输入变压器，T3，T4组成的1：4输出变压器，T5，C6，R11-R14组成的负反馈电路，U1，R3，R4，R15，D1，T2等组成的偏流电路，C2-C5，R7-R10组成的频率补偿电路，Q1，Q2功放管等组成的AB类推挽放大器。 z T1把50欧的输入端阻抗转换成5.5欧以配合晶体管的输入阻抗，由C1补偿T1的寄生电感。 z T5，C6，R11-R14组成负反馈电路，C6与T5的一组线圈（1圈）组成谐振电路，降低高频段的反馈量，并减少负反馈电阻R11-R14对T1次级阻抗的影响。 z C2-C5是频率补偿电容，目的是提高放大器在高端的增益。 z上面所述电路的元件参数对放大器的输入驻波、增益的平坦性等有很大的影响，在调试中要通过多次试验而取得放大器各种参数的平衡。 z U1，R3，R4，R15，D1，T2等组成的偏流电路，由紧贴在功放管上的D1跟踪功放管的温度变化，保持偏流的稳定。 z R16是用来检测放大器的工作电流的。 z输出变压器T4的阻抗比是1：4，在低阻端阻抗为12.5欧，根据推挽放大器的理论可计算出功放的不失真最大输出功率 P max=2(48-2)(48-2)/12.5=338W。（P max=2（Vcc-Vsat）*2/R） z输出变压器采用传输变压器形式，用3mm的25欧电缆绕制。 z C12-C17是隔直耦合电容，隔离直流电位，耦合高频信号。 z功放管是用货源较多的拆机ENI21（类似于MRF448，原用于13.56MHZ的射频源），当然可以用TH430,2SC2652,681033等晶体管来代替，但反馈和频率补偿网络的相关参数要作调整。
功率放大器,功率放大器的特点及原理是什么? 利用三极管的电流控制作用或场效应管的电压控制作用将电源的功率转换为按照输入信号变化的电流。因为声音是不同振幅和不同频率的波，即交流信号电流，三极管的集电极电流永远是基极电流的β倍，β是三极管的交流放大倍数，应用这一点，若将小信号注入基极，则集电极流过的电流会等于基极电流的β倍，然后将这个信号用隔直电容隔离出来，就得到了电流(或电压)是原先的β倍的大信号，这现象成为三极管的放大作用。经过不断的电流及电压放大，就完成了功率放大。 功率放大器，简称“功放”。很多情况下主机的额定输出功率不能胜任带动整个音响系统的任务，这时就要在主机和播放设备之间加装功率放大器来补充所需的功率缺口，而功率放大器在整个音响系统中起到了“组织、协调”的枢纽作用，在某种程度上主宰着整个系统能否提供良好的音质输出。 一、功率放大器的特点 向负载提供信号功率的放大器，通常称为功率放大器。功率放大器工作时，信号电压和电流的幅度都比较大，因此具有许多不同于小信号放大器的特点。 l．功率放大器的效率 功串放大的实质是通过晶体管的控制作用，把电源提供给放大器的直流功率转换成负载上的交流功率。交流输出功串和直流电源功率息息相关。一个功率放大器的直流电源提供的功率究竟能有多少转换成交流输出功率呢？我们当然希望功率放大器最好能把直流功率（PE= EcIc）百分之百转换成交流输出功率（Psc＝Uscisc）实际上却是不可能的。因为晶体管自身要有一定的功率消耗，各种电路元件（电阻、变压器等）要消耗一定的功率，这就有个效率问题了。放大器的效率η指输出功率Psc与电源供给的直流动率PE之比，即通常用百分比表示： η=Psc/PE 通常用百分比表示： η=Psc/PE×100% 效率越高，表示功率放大器的性能越好。 晶休管在大信号工作条件下，工作点会上下大幅度摆动。一旦工作点跳出输入或输出特性曲线的线性区，就会出现非线性失真。所以对声频功率放大器来说，输出功率总要和非线性失真联系在一起考虑。一般声频功率放大器都有两个指标棗最大输出功率和最大不失真输
高功率激光放大器中的光传输理论X 吕百达 张 彬 (四川大学激光物理与化学研究所,成都,610064) 摘要:总结了对高功率激光在放大器中传输研究工作的某些新进展。从F -N 方程出发,使用 序列脉冲模型以及薄片损耗和增益模型,对高功率激光通过单程和多程放大器问题作了详细研 究,这特别适用于损耗较大情况,并可进一步推广,借助于逐次逼近迭代法处理放大器的逆问题。 关键词:序列脉冲模型 薄片损耗和增益模型 放大器的逆问题 Theory of the high -power laser propagation through amplifiers L Baida,Zhang Bin (Institute of Laser Physics and Chemistr y,Sichuan U niversity ,Chengdu,610064) Abstract:T his paper summarized some recent advances in the propagation of high -power lasers passing throug h amplifiers.Starting from Frantz -N odvik equetion,using pulse -sequence and slab -loss and g ain models,high -power lasers propag ating throug h scingle -and mult-i pass amplifiers have been studied in detail,w hich is suitable,in particular ,for the can of nelativ ely large losses,and can be ext ended to dealing w ith the inverse problem of amplifiers by means of the succersive iferation computing method. Key words:pulse -sequence mo del slab -loss and gain mo del inverse problem of amplifiers 一、引 言 高功率激光在放大系统中的传输是强激光光束变换的一个重要研究对象。实际工作中,通常在一个激光振荡器中输出激光要达到高功率、高光束质量的各种技术指标是很难的。于是,采用将难点分解的方法,在主振荡器输出一个衍射极限、低功率(能量)的种籽光,用放大器(一级或多级)提高光束亮度,将种籽光放大到所需功率(能量),同时保证所要求的光束质量。主振荡器-功率放大(MOPA)系统的典型例是惯性约束聚变(ICF)钕玻璃固体激光驱动器。 激光放大器的主要技术指标有:(1)效率。它等于激励效率和提取效率之积;(2)放大倍率。即放大器输出激光功率(能量)与输入值的比;(3)光束质量。可按实际要求而定,例如输出光束远场发散角(M 2因子,或可聚焦能量),激光脉冲通过放大器后时间和空间波形的变化等。 激光放大器有多种分类法。按激光脉宽与放大介质横向和纵向弛豫时间大小分为连续波、脉冲和超短脉冲放大器。按放大器各级相对排布分为串接和并接放大器。按激光在放大介质中通过的次数分为单程和多程放大器。按光束注入方式分为远场和近场注入式放大器。按光束在放大器中传输时与光轴关系分为共轴和离轴放大器。按光束输出方式分为被动(无开关)和主动(有开关)放大器等等。值得提到的是美国利弗莫尔实验室在Novatt 级装置中使X 本文主要内容在国家高技术强辐射重点实验室学术会上报告。 第21卷 第5期 1997年10月激 光 技 术LASER T ECH NOLOGY Vol.21,No.5October,1997