什么是激光?常见激光器及简单电源拓扑介绍

描述

什么是激光:

原子受激辐射的光,故名“激光”:原子中的电子吸收能量后从低能级跃迁到高能级,再从高能级回落到低能级的时候,所释放的能量以光子的形式放出。被引诱(激发)出来的光子束(激光),其中的光子光学特性高度一致。因此激光相比普通光源单色性、方向性好,亮度更高。

激光用途:

有激光打标、激光焊接、激光切割、光纤通信、激光测距、激光雷达、激光武器、激光唱片、激光矫视、激光美容、激光扫描、激光灭蚊器、LIF无损检测技术等等。

放电管

激光器的分类

按增益介质(工作物质):

气体激光器;

代表性:CO2激光器,N2激光器;

液体激光器(染料激光器);

固体激光器;

代表性:红宝石激光器,半导体激光器,YAG激光器和光纤激光器;

按输出功率:

小功率激光器(0~100W);

中功率激光器(100~1500W);

大功率激光器(1.5~60+kW);

按工作方式:

连续激光器;

脉冲激光器;

毫秒/微秒/皮秒/飞秒。

 

CO2激光器

CO2激光器在组成结构上,由放电管、谐振腔、电极组成。CO2激光器的工作物质: CO2、N2、He混合气体,比例:6%、28%、66%,光束波长:10.65μm。

根据气体流动方式分类:

封闭管式:工作气体在谐振腔中不流动;

慢流式:工作气体在谐振腔中缓慢流动;

横流式:工作气体在谐振腔中流动方向与光束传播方向垂直;

轴流式:工作气体在谐振腔中流动方向与光束传播方向同轴;

根据激励方式分类:

普通直流高压激励:交流升压一高压整流(10~50kV) ;

逆变直流高压激励:交流变频一低压整流一直流升压(10~50kV) ;

射频激励:采用无线电波的频率进行激励。

CO2激光器以切割和焊接应用最广泛,具有结构简单、造价低、操作方便、工作介质均匀、光束质量好以及能长时间较稳定地连续工作的优点,体积大、重量重、功耗高、维护成本高的缺点。

放电管

YAG固体激光器

组成部分:YAG晶体棒、光学谐振腔、聚光腔、电源系统、泵浦源和冷却系统等。

固体激光器的工作介质:在作为基质材料的晶体或玻璃中均匀掺入少量激活离子,除了用红宝石和玻璃外,常用的还有在钇铝石榴石(YAG)晶体中掺入三价铷离子(Nd3+)的激光器,它发射1.060μm的近红外激光。

常用的脉冲激励源有充氙闪光灯;连续激励源有氪弧灯、碘钨灯、钾铷灯等。在小型长寿命激光器中,可用半导体发光二极管或太阳光作激励源。

金属,特别是铜、铝等有色金属对此波段的吸收率明显高于CO2激光器的10.65μm激光,因此,特别适合金属材料的加工。

放电管

放电管

半导体激光器

半导体激光器工作原理是激励方式,利用半导体物质(即利用电子)在能带间跃迁发光,用半导体晶体的解理面形成两个平行反射镜面作为反射镜,组成谐振腔,使光振荡、反馈,产生光的辐射放大,输出激光。

核心发光部分是由p型和n型半导体构成的pn结管芯,当注入pn结的少数载流子与多数载流子复合时,就会发出可见光,紫外光或近红外光。

常用工作物质有砷化镓(GaAs)、硫化镉(CdS)、磷化铟(InP)、硫化锌(ZnS)等。激励方式有电注入、电子束激励和光泵浦三种形式。半导体激光器件,可分为同质结、单异质结、双异质结等几种。同质结激光器和单异质结激光器在室温时多为脉冲器件,而双异质结激光器室温时可实现连续工作。

半导体激光器体积小、质量轻、寿命长、结构简单而坚固,并可采用简单的注入电流的方式来泵浦,其工作电压和电流与集成电路兼容,因而可与之单片集成。并且还可以用高达GHz的频率直接进行电流调制以获得高速调制的激光输出。由于这些优点,半导体二极管激光器在激光通信、光存储、光陀螺、激光打印、测距以及雷达等方面得到了广泛的应用。

放电管

光纤激光器

光纤激光器(Fiber Laser)是指用掺稀土元素玻璃光纤作为增益介质的激光器,光纤激光器可在光纤放大器的基础上开发出来:在泵浦光的作用下光纤内极易形成高功率密度,造成激光工作物质的激光能级“粒子数反转”,当适当加入正反馈回路(构成谐振腔)便可形成激光振荡输出。

光纤激光器的结构类似于传统的固体激光器、气体激光器,主要由泵浦源、增益介质、谐振腔三大部分构成。

按照光纤材料的种类进行分类:

晶体光纤激光器,非线性光学型光纤激光器,稀土类掺杂光纤激光器,塑料光纤激光器。

按光纤结构分类:

单包层光纤激光器、双包层光纤激光器、光子晶体光纤激光器、特种光纤激光器。

光纤激光器的特点:光束质量好,电光效率高,散热特性好,结构紧凑,可靠性高。

由于光纤纤芯直径小,在纤芯内容易形成高功率密度,因此光纤激光器具有较高的转换效率、较低的阙值、较高的增益、较窄的线宽、且可方便高效的实现与当前光纤通信系统的连接。

由于光纤具有很好的柔绕性,因此光纤激光器具有小巧灵活、结构紧凑、性价比较高、且更易于系统的集成的特点。

与传统的固体激光器、气体激光器相比,光纤激光器的能量转换效率较高、结构较紧凑、可靠性高、且适合大批量的生产。

与半导体激光器相比,光纤激光器的单色性较好、调制时可产生较小的畸变、且与光纤的耦合损耗较小。

放电管

常见激光器对比

放电管

简单激光电源拓扑

单向交错PFC+LLC

放电管

单向三通道交错PFC+全桥

放电管

单向三相PFC+LLC

放电管

移相全桥+全桥

放电管

辅助电源

放电管

 



审核编辑:刘清

打开APP阅读更多精彩内容
声明:本文内容及配图由入驻作者撰写或者入驻合作网站授权转载。文章观点仅代表作者本人,不代表电子发烧友网立场。文章及其配图仅供工程师学习之用,如有内容侵权或者其他违规问题,请联系本站处理。 举报投诉

全部0条评论

快来发表一下你的评论吧 !

×
20
完善资料,
赚取积分