激光器系统
常见激光器结构及器件功能介绍
常见激光器结构及器件功能介绍激光器是一种产生、放大和聚焦激光光束的器件。
它在现代科学、医疗、工业和战争等领域都有广泛的应用。
常见的激光器结构主要包括激光介质、泵浦源、光学谐振腔和输出窗口等部分。
下面将对这些部分的功能进行详细介绍。
1.激光介质：激光介质是激光器的核心部件，它能够使电能或光能转化为激光能量。
常见的激光介质包括气体（如二氧化碳、氩等）、固体（如Nd:YAG晶体）和液体（如染料溶液）等。
不同激光介质具有不同的特性，决定了激光器的输出特点。
2.泵浦源：泵浦源是激光器产生激光能量的能源，它对激光介质进行能量输入，使之达到激发态。
常见的泵浦源包括电子激发（如气体放电、闪光灯等）、光学激发（如半导体激光二极管、固体激光晶体等）和化学激发（如染料激光器）等。
泵浦源的选择决定了激光器的效率和波长等参数。
3.光学谐振腔：光学谐振腔是激光器中光的来回传播的空间，在谐振腔内激光能量发生倍增和光模式形成。
常见的光学谐振腔包括平面腔、球面腔和折射腔等。
谐振腔的结构和参数决定了激光器的输出特征，如脉冲宽度、线宽和波前质量等。
4.输出窗口：输出窗口是激光器中激光能量传出的接口，它具有透过激光的特性，并使激光尽量少损耗。
常见的输出窗口材料包括光学玻璃、光纤和光学晶体等。
输出窗口的选择和设计是影响激光器输出功率和光束质量的重要因素。
除了上述部分，激光器还包括一些辅助器件和系统，如冷却系统、调谐器和稳频器等，它们的功能主要有以下几个方面：1.冷却系统：激光器在工作过程中会产生大量的热量，需要通过冷却系统来散热，以保持激光介质和泵浦源的稳定性。
常见的冷却方式包括空气冷却、水冷却和制冷剂冷却等。
2.调谐器：激光器的波长可能需要进行调整，以适应不同应用的需求。
调谐器通过改变光学谐振腔的长度或谐振性能，实现激光器波长的可调。
3.稳频器：激光器的频率稳定度对一些应用非常重要。
稳频器通过使用反馈调节和控制系统，使激光器的频率保持在目标值附近的范围内。
激光器的工作原理及应用
激光器的工作原理及应用引言概述：激光器是一种利用激光原理产生并放大一束高度聚焦的光束的装置。
它的工作原理基于电子的激发和辐射过程。
激光器在众多领域中有着广泛的应用，包括医疗、通信、制造等。
本文将详细介绍激光器的工作原理及其在不同领域的应用。
一、激光器的工作原理1.1 激光的产生激光的产生是通过受激辐射的过程实现的。
当外界能量作用于激活物质（如激光介质）时，激活物质中的电子被激发到高能级，形成一个激发态。
当这些激发态的电子回到基态时，会释放出能量，产生光子。
这些光子经过放大和反射，最终形成一束高度聚焦的激光。
1.2 激光的放大激光的放大是通过激光介质中的光子与受激辐射的过程实现的。
在激光介质中，光子与激发态的电子发生相互作用，导致更多的电子从低能级跃迁到高能级。
这样，激发态的电子数量增加，从而产生更多的光子。
这个过程通过在激光介质中反复反射光子来实现，从而放大激光的强度。
1.3 激光的聚焦激光的聚焦是通过激光器中的光学元件实现的。
光学元件，如凸透镜或反射镜，可以改变激光光束的传播方向和聚焦程度。
通过调整这些光学元件的位置和形状，可以将激光束聚焦到非常小的尺寸，从而实现高度聚焦的激光束。
二、激光器在医疗领域的应用2.1 激光手术激光器在医疗领域中被广泛应用于各种手术操作，如激光眼科手术、激光皮肤修复等。
激光手术具有创伤小、恢复快的优势，可以精确地切割组织或疾病部位，减少手术风险。
2.2 激光治疗激光器还可以用于治疗一些疾病，如激光治疗癌症、激光治疗静脉曲张等。
激光的高能量可以破坏癌细胞或静脉曲张血管，从而达到治疗的效果。
2.3 激光诊断激光器还可以用于医学诊断，如激光扫描显微镜、激光断层扫描等。
激光的高分辨率和高灵敏度可以帮助医生观察和诊断微小的组织结构或病变。
三、激光器在通信领域的应用3.1 光纤通信激光器在光纤通信中扮演着重要的角色。
激光器产生的高度聚焦的激光束可以通过光纤传输信息，实现高速、远距离的通信。
激光设备的组成
激光设备的组成激光设备是一种利用激光技术产生、放大、调制和控制激光的设备。
它广泛应用于工业、医疗、科研等领域。
激光设备的组成主要包括激光器、光学系统、电源系统和控制系统等。
一、激光器激光器是激光设备的核心部件，用于产生和放大激光光束。
激光器一般由激光介质、泵浦源和谐振腔等部分组成。
激光介质有固体、液体和气体等多种类型，不同类型的激光介质决定了激光器的输出波长和功率特性。
泵浦源则用于提供能量，激发激光介质中的原子或分子跃迁，使其产生受激辐射。
谐振腔用于增强激光的光程，使光线在腔内来回反射，形成激光共振。
二、光学系统光学系统是激光设备中负责操控和控制激光光束的部分。
光学系统主要包括激光束整形器、激光束传输系统、激光束聚焦系统和光学器件等。
激光束整形器用于调整激光光束的形状和大小，使其适应不同的应用场景。
激光束传输系统用于将激光光束从激光器传输到目标位置，通常采用光纤或光束导管等方式。
激光束聚焦系统用于将激光光束聚焦到目标上，以实现切割、焊接、打标等操作。
光学器件如光学透镜、光学棱镜等则用于调整激光光束的传播方向和光路。
三、电源系统电源系统为激光设备提供所需的电能。
激光器通常需要较高的电压和电流来驱动，因此电源系统必须具备稳定可靠的特点。
电源系统一般由直流电源、交流电源和脉冲电源等组成，根据不同的激光器类型和工作要求选择合适的电源。
四、控制系统控制系统用于对激光设备进行操作和控制。
控制系统一般包括硬件控制和软件控制两部分。
硬件控制主要由传感器、执行器和电路板等组成，用于监测和控制激光设备的各个参数和功能。
软件控制则通过计算机或控制器等设备进行，可以实现对激光设备的远程监控和操作，提高设备的自动化程度和工作效率。
激光设备的组成主要包括激光器、光学系统、电源系统和控制系统等部分。
这些部分相互协作，共同实现激光的产生、放大、调制和控制，为激光设备的正常运行和应用提供了基础。
随着科技的不断发展，激光设备的组成也在不断创新和完善，以满足不同领域对激光技术的需求。
激光焊接系统的组成
激光焊接系统的组成
激光焊接系统是一种高精度、高能效率、高稳定性的现代化焊接设备，其主要组成部分包括激光器、光路系统、焊接头、搬运系统、控制系统等多个部分。
1.激光器：激光器是激光焊接系统的核心部件，是产生、发射激光能量的装置。
激光器一般采用固体激光器、半导体激光器、气体激光器和光纤激光器等。
2.光路系统：光路系统主要指激光束传输系统和光学器件两部分。
激光束传输系统主要包括光束整形器、反射镜、透镜等部件，可以将激光束定向到焊接区域；光学器件包括成像透镜、CCD相机等，可以对焊缝进行实时监测与控制。
3.焊接头：焊接头是激光焊接系统的核心组件之一，包括激光头、光纤、反射镜、调焦系统、冷却系统等。
焊接头的主要作用是将激光束聚集到焊接区域并完成焊接任务。
在焊接头中，光纤起到输送激光能量的作用，反射镜可以对光路进行调整，冷却系统则负责维持焊接头的温度。
4.搬运系统：搬运系统主要作用是将焊接头移动到焊接区域并进行精确调整，该系统由X、Y、Z三个方向的伺服电机构成，可以根据焊接要求对焊接头进行精确定位，实现高精度的焊接任务。
5.控制系统：控制系统是激光焊接系统的指挥部，主要包括电脑控制器、光控器、速度传感器等部分，能够通过集成控制器对激光焊接系统进行实时监控、控制和管理。
控制系统可以对激光能量、焊接速度、功率等参数进行调整，实现各种焊接条件下的高质量焊接。
光纤激光器的控制系统
光纤激光器的控制系统随着激光器在切割、焊接、表面处理等广泛应用。
文中设计了应用于激光打标的功率控制系统，采用数字电位器方式使激光器的性能得到大幅提高，硬件电路设计结构简单、系统响应速度快，不需要额外器件，成本低廉、功能齐全、实用性强。
1、系统总体设计1.1、控制系统设计控制系统主要由单片机MC9S12XDP512、开关电源PC0-6131、数字电位器DS1867、数字温度传感器DS18B20、LCD1602显示器、键盘和报警装置等组成。
系统进行读写操作时，光纤激光器输出功率由单片机进行控制调节，提供所需要的激光功率，功率设定时，由单片机MC9S12XDP512对数字电位器DS1867输出电阻进行控制，以改变开关电源控制端的输入电压，使开关电源的输出电流改变，得到光纤激光器输出功率所需要的驱动电流，从而实现激光输出功率的变化。
同时利用数字温度传感器对光纤激光器工作环境温度进行采集，利用单片机实现对温度数据的处理，当温度超出规定的40℃时，单片机会控制发光二级管进行温度报警，并利用LCD显示装置显示信息，用户可实时了解激光器的工作情况。
1.2、控制原理激光器为电流型驱动器件，驱动电流是输出光功率的前提，通过改变激光器电源电流的大小来改变激光器的输出功率。
系统控制激光器的输出功率的基本方法是：由单片机控制数字电位器DS1867的输出电阻，使开关电源控制端的电压改变，从而控制了开关电源的输出电流，改变光纤激光器功率的输出。
数字电位器DS1867的输出电阻由式(1)计算R=D×RWL+RW (1)其中，RW为滑臂电阻，即为内部电位器电子开关电阻，通常RW≤100 Ω，典型值为40 Ω；RWL为数字电位器DS1867内部电子阵列中每个电阻单元的阻值；D为输入的数字量。
根据光纤激光器功率控制的要求，即用户对光纤激光器的输出功率性能的要求，设计出用户要求的10等级功率输出产品，不同的功率等级输出对激光打标的对象有不同的要求。
激光设备电气控制系统介绍讲解课件
通过采集和分析设备运行数据，快速定位故障原因，提高维修效率。
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远程技术支持
通过网络与远程技术支持中心连接，获取专业人员的故障诊断和处理建议。
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故障自诊断
系统具备自诊断功能，能自动检测和识别故障部位，为快速维修提供便利。
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故障处理预案
针对不同故障类型，制定相应的处理预案，缩短故障处理时间。
新型激光材料如稀土掺杂光纤、非线性晶体等具有优异的光学性能，能够实现激光波长的转换和调控。新型激光器件如光子晶体激光器、微纳激光器等具有小型化、集成化的特点，适用于各种便携式和嵌入式应用场景。
总结词
详细描述
06
CHAPTER
激光设备电气控制系统的维护与保养
电源故障
传感器故障
电路故障
软件故障
01
VS
高功率激光技术是未来发展的重要方向，将广泛应用于工业、医疗等领域。
详细描述
随着激光技术的不断突破，高功率激光器的输出功率不断提高，能够满足各种高难度加工和医疗需求。高功率激光技术将推动激光设备在切割、焊接、熔覆等领域的更广泛应用，同时为医疗领域提供更高效、安全的治疗手段。
总结词
新型激光材料与器件的发展将为激光设备带来更高的性能和更广泛的应用领域。
环保
05
CHAPTER
激光设备电气控制系统的未来发展趋势
总结词
随着人工智能和物联网技术的快速发展，激光设备电气控制系统将更加智能化，实现自动化和自主化控制。
详细描述
通过集成AI算法和传感器技术，激光设备能够实时感知自身状态和环境变化，自动调整参数和运行模式，提高生产效率和设备寿命。同时，智能化的控制系统能够减少人工干预，降低操作难度，提升设备使用的便捷性。
激光切割机卫生清理标准
激光切割机卫生清理标准
一、激光器系统
1.1 清理激光器系统的外壳表面，保持清洁，无尘土、污渍。
1.2 检查并清洁光学元件，包括反射镜、聚焦镜等，去除其表面的尘土和污渍。
1.3 清洁激光器内部的线路板和元件，确保无尘埃堆积。
二、切割头和镜片
2.1 清洁切割头，去除其表面的油渍和尘土。
2.2 检查并清洁切割头上的镜片，保持其清洁无痕。
2.3 清洁切割头的内部，确保无尘埃堆积。
三、工作台面
3.1 清洁工作台面，去除其表面的油渍、污渍和尘土。
3.2 检查工作台面的传感器和导轨，确保其清洁无尘。
四、周围环境
4.1 清理激光切割机周围的环境，保持整洁，无杂物、油渍和尘土。
4.2 定期清理机床周围的地面，保持清洁。
五、冷却系统
5.1 检查并清洁冷却系统的散热器和其他元件，去除其表面的尘土和污渍。
5.2 清洁冷却系统的管道和风扇，确保其运行正常。
六、废料收集系统
6.1 清理废料收集系统，包括废料箱和排风口，去除其内部的废料和尘埃。
6.2 检查废料收集系统的电机和传送带，确保其运行正常。
七、防尘装置
7.1 检查防尘装置的运行情况，确保其正常工作。
7.2 清理防尘装置的滤网和吸风口，保持其清洁无阻。
八、电源和气源
8.1 清洁电源和气源的外部表面，去除其表面的尘土和污渍。
8.2 检查电源和气源的线缆和接口，确保其连接良好，无松脱现象。
激光设备的组成
激光设备的组成激光设备是利用激光技术产生强聚光的光束，具有高单色性、高亮度和高相干性的特点。
它在科研、医疗、工业生产等领域得到广泛应用。
激光设备的组成主要包括激光器、光学系统、冷却系统和电子控制系统等几个重要部分。
一、激光器激光器是激光设备的核心部件，它能够产生高能量、高亮度的激光光束。
激光器的主要组成部分包括激活介质、泵浦源和光学谐振腔。
激活介质可以是固体、液体或气体，不同的激活介质决定了激光器的工作波长和特性。
泵浦源是激活介质的能量供给源，可以是光电池、电子束或者其他激发手段。
光学谐振腔是激光器的光学反馈装置，它能够增强激活介质中的光子发射，形成激光光束。
二、光学系统光学系统是激光设备中的重要组成部分，它主要用于激光光束的整形、调节和控制。
光学系统包括透镜、反射镜、光束分束器等光学元件。
透镜能够改变激光光束的传播方向和聚焦程度；反射镜可以反射和折射激光光束，实现激光光束的反射和聚焦；光束分束器可以将激光光束分成多个光束，用于多光束加工和多光束投射等应用。
三、冷却系统冷却系统是激光设备中非常重要的组成部分，它用于控制激光器和光学元件的温度，保证激光设备的稳定运行。
冷却系统通常采用水冷或者风冷方式，通过循环流体冷却激光器和光学元件，防止其过热和损坏。
冷却系统还可以控制激光器和光学元件的温度梯度，以提高设备的工作效率和寿命。
四、电子控制系统电子控制系统是激光设备的重要组成部分，它用于控制和调节激光器和光学系统的工作状态。
电子控制系统通常由微处理器、电子电路和传感器组成，可以实现激光器的开关控制、光学系统的调节和光束的定位等功能。
同时，电子控制系统还可以监测激光器和光学系统的工作状态，及时发现和解决故障，保证设备的正常运行。
激光设备的组成包括激光器、光学系统、冷却系统和电子控制系统等几个重要部分。
激光器是激光设备的核心，能够产生高能量、高亮度的激光光束；光学系统用于整形、调节和控制激光光束；冷却系统保证设备的稳定运行，防止过热和损坏；电子控制系统实现设备的控制和调节功能。
半导体激光器温度控制系统.
半导体激光器温度控制系统半导体激光器广泛应用在工业加工、精密测量、通讯等领域。
半导体激光器是一个对温度很敏感的器件,它的输出波长和功率会随着温度的变化而改变,工作寿命也会因此而缩短。
所以为了保证半导体激光器工作性能的良好,必须要控制半导体激光器的温度。
本文利用半导体制冷器作为系统的执行元件,设计出了半导体激光器的温度控制系统。
目前半导体激光器的温控执行元件大多使用半导体制冷器。
半导体制冷器是根据珀尔贴效应而制成的,当给它通上直流电时,半导体制冷器就会加热或制冷,从而控制半导体激光器的温度。
本文首先研究了半导体制冷器的工作原理,而后在此基础上应用小信号分析法,建立出在平均意义下的半导体制冷器的数学模型。
其次研究半导体激光器和温度传感器的模型,得出了温控系统的传递函数,通过分析温控系统的传函和温控系统需要达到的性能要求,设计了PID控制器和模糊自适应PID控制器来优化系统,得出应用模糊自适应PID的系统控制精度可以达到0.01℃。
然后又利用遗传算法对系统进行寻优,遗传算法不需要任何初始信息便可以寻求到全局最优解,本文设计出基于遗传算法的PID控制器,与PID控制和模糊自适应PID进行比较,经过仿真比较,得出基于遗传优化的PID控制效果更好。
最后,设计温度控制系统的硬件部分。
详细介绍了系统的数据采集部分、单片机接口部分、功率驱动器部分和显示器部分。
同主题文章[1].高俊杰,马俊芝. 结构参数对半导体激光器激光特性的影响' [J]. 激光技术. 1981.(03)[2].史一京. 半导体激光器的光注入调试' [J]. 中国激光. 1983.(Z1)[3].徐振华. 室温下15GHz直接调制的半导体激光器' [J]. 半导体光电. 1986.(01)[4].罗本清. PCM二次群和三次群光发射盘' [J]. 半导体光电. 1987.(03)[5].陈其道. 在快速激发下,DC—PBH 1.3μm InGaAsP/InP激光器的动态光谱展宽' [J]. 半导体光电. 1987.(03)[6].刘弘度,林祥芝,鲍学军. 单纵模耦合腔半导体激光器' [J]. 光通信技术. 1987.(01)[7].史一京,李东姝,潘贵生. 用计算机对半导体激光器L-I特性等的测量'[J]. 激光与红外. 1987.(01)[8].李林林,杨恩泽. 半导体激光器的强度调制研究' [J]. 半导体光电. 1988.(04)[9].刘劲松,詹玉书. 阈值载流子密度对注入锁定半导体激光器双稳输出特性的影响' [J]. 应用激光. 1988.(02)[10].李及,闫军. 半导体激光器的最新进展' [J]. 今日科技. 1996.(01)【关键词相关文档搜索】：控制理论与控制工程; 半导体激光器; 半导体制冷器; 温度控制; 模糊PID控制; 遗传算法【作者相关信息搜索】：燕山大学;控制理论与控制工程;臧怀泉;李茜;。
激光切割机系统有哪些
激光切割机系统有哪些激光切割机系统有哪些激光切割机比作一个人的话，机床及床身是体格，伺服电机是肌肉，激光器是的心脏，而掌控系统就是大脑，激光切割机的“智力”全靠掌控系统来决议，激光切割机系统有：1、柏楚系统，2、PIC系统，3、PA8000系统。
激光切割机系统有哪些1、柏楚系统，柏楚系统是国内人员针对国内市场开发的激光切割机系统，针对激光切割机开发的非闭环开源系统，该系统在高中低功率激光切割机使用上有操作简便，功能丰富，人机操作简单等优点，被国内多数激光切割机制造商广泛使用在高中低功率激光切割机上，经过多年升级和试验，目前是高中低功率激光切割机最稳定的系统配置。
2、PIC系统，属于比较老的板卡掌控系统，可以集成到一般电脑上运行，利用后台软件掌控模拟信号传输，该掌控系统虽然老，但属于完开源系统。
3、PA8000系统，PA系统是基于PC技术的开放式数控系统(CNC)，开放式CNC技术代表着全球数控领域的最前沿技术，可以依据自身要求开发。
激光切割机系统构成部分1)机床主机部分：激光切割机机床部分，实现X、Y、Z轴的运动的机械部分，包含切割工作平台。
用于安置被切割工件，并能依照掌控程序正确而精准的进行移动，通常由伺服电机驱动。
2)激光发生器：产生激光光源的装置。
对于激光切割的用途而言，除了少数场合采纳YAG固体激光器外，绝大部分采纳电光转换效率较高并能输出较高功率的CO2气体激光器。
由于激光切割对光束质量要求很高，所以不是全部的激光器都能用作切割的。
高斯模式适用于小于1500W、低阶模二氧化碳激光器100W3000W、多模3000W以上。
3)外光路：折射反射镜，用于将激光导向所需要的方向。
为使光束通路不发生故障，全部反射镜都要保护罩加以保护，并通入干净的正压保护气体以保护镜片不受污染。
一套性能良好的透镜会将一无发散角的光束聚焦成无限小的光斑。
一般用 5.0英寸焦距的透镜。
7.5英寸透镜仅用于12mm厚材。
激光器光学系统光机热集成分析方法
学 表面进 行 Ｚ ｅ ｒ ｎ ｉ ｋ ｅ 面形 拟合 ， 从而 得到 变形 后 的光 学表 面 ， 之 后 利 用 光 学 分 析 软 件 检 验 变 形 后 系 统 的 成 像 质
量， 然 后再 对机械 结构 进行 相 应的优 化 调整 ， 使 其 能最 大 限度 减 小本 身 变形 对 光 学 系统 成 像 质量 的 影 口 向。 直到
学 元件 的温 度场 和热 变形 ， 并提 取 每件 光学 元件 光斑 区域 内原 始节 点 坐标数 据 以及节 点变 形数 据 ， 接着 通过 数 值 软 件 Ｍａ ｔ ｌ ａ ｂ Ａ制 数据 接 口程序 ， 将热 变形 结果 数 据拟 合 为 Ｚ ｅ ｒ ｎ ｉ ｋ ｅ多项式 系数 ， 并将 系 数写 入 Ｉ ＮＴ 文件 ； 最 后 在 光学设 计 软件 Ｃ ｏ ｄ ｅ ｖ里 得到 变形 拟合 后 的光学 系统 ， 并 对 变形 后 的光 学 系 统光 学 性 能参 数进 行 检验 和 分
表1有限元分析参数table1parametersusedinfiniteanalysis考虑光学元件在真空环境下工作有限元计算时不考虑光学元件与环境的热对流因素激光束能量均匀分布光学元件支撑方式为3点支撑激光器内的6件光学元件的外形尺寸功率密度均不相同需要分别对激光器内的6件光学元件进行实体建模网格划分加载求解计算结果可获得每一件光学元件的变形图以及节点坐标数据等
激光器光路系统的组成-概述说明以及解释
激光器光路系统的组成-概述说明以及解释1.引言1.1 概述激光器是一种将电能转化为激光能的设备，它在现代科技和工业领域发挥着重要作用。
激光器的光路系统是激光器的核心组成部分，它决定了激光器的性能和输出功率。
光路系统由多个元件组成，包括透镜、反射镜、光栅、偏振片等，它们共同构成了光学腔。
通过精心设计和优化光路系统，可以提高激光器的效率和稳定性，实现更精确的激光输出。
本文将介绍激光器光路系统的组成要素及优化设计方法，以探讨如何提升激光器的性能和应用价值。
1.2 文章结构本文主要分为引言、正文和结论三个部分。
在引言部分中，首先概述了激光器光路系统的重要性，然后介绍了文章的结构和目的，为读者提供了整体的阅读框架。
正文部分分为三个小节，分别是激光器的基本原理、光路系统的组成要素以及激光器光路系统的优化设计。
在这部分，将会深入探讨激光器的工作原理、光路系统中各个要素的作用和功能，以及如何优化设计光路系统以提高激光器的性能。
在结论部分，将对激光器光路系统的重要性进行总结，展望未来的发展趋势，并以简洁的结束语来概括文章的主要内容，为读者留下深刻的印象。
整个文章结构清晰，逻辑性强，希望能给读者带来新的启发和认识。
1.3 目的激光器光路系统作为激光器的核心部件，其设计和优化对于激光器性能的提升至关重要。
本文的目的在于深入探讨激光器光路系统的组成要素及优化设计策略，帮助读者更好地理解和应用激光器光路系统，提高激光器的输出功率、波长稳定性和光束质量，推动激光技术在各个领域的应用和发展。
同时，本文旨在引起更多研究者对激光器光路系统的关注，促进相关领域的研究和合作，为激光技术的进步和创新做出贡献。
2.正文2.1 激光器的基本原理激光器是一种能够产生聚焦、一定波长和相干性极高的光束的装置。
其基本原理是通过对物质进行激发，使之产生受激辐射，从而产生激光。
在激光器中，主要有三个要素：激发源、增益介质和谐振腔。
首先，激发源通常是一种能够提供能量的装置，例如激光二极管、氙灯等。
激光器的工作原理
激光器的工作原理一．光学谐振腔结构与稳定性激光是在光学谐振腔中产生的。
它的主要功能之一是使光在腔内来回反射多次以增长激活介质作用的工作长度，提高腔内的光能密度。
显而易见的是，不垂直于反射镜表面的傍轴光线经过有限次的反射就会投射到平面镜的通光口径之外，而使得激活介质作用的工作长度只得到很有限的增长。
所以，光线能够在谐振腔中反射的次数与其结构密切相关。
能够使腔中任一束傍轴光线经过任意多次往返传播而不逸出腔外的谐振腔能够使激光器稳定地发出激光，这种谐振腔叫做稳定腔，反之称为不稳定腔。
我们讨论光学谐振腔的结构与稳定性的关系。
1.共轴球面谐振腔的稳定性条件光学谐振腔都是由相隔一定距离的两块反射镜组成的。
无论是平面镜还是球面镜，无论是凸面镜还是凹面镜，都可以用“共轴球面”的模型来表示。
因为只要把两个反射镜的球心连线作为光轴，整个系统总是轴对称的，两个反射面可以看成是“共轴球面”。
平面镜是半径为无穷大的球面镜。
如果其中一块是平面镜，可以用通过另一块球面镜球心与平面镜垂直的直线作为光轴。
平行平面腔的光轴则可以是与平面镜垂直的任一直线。
当然两个平面镜不平行不能产生谐振，不在讨论之列。
图（2-1）共轴球面腔结构示意图如图（2-1）所示，共轴球面腔的结构可以用三个参数来表示：两个球面反射镜的曲率半径R1、R2，和腔长即与光轴相交的反射镜面上的两个点之间的距离L。
如果规定凹面镜的曲率半径为正，凸面镜的曲率半径为负，可以证明共轴球面腔的稳定性条件是111021≤⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-⨯⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-≤R L R L （2-1） 上式左边成立的条件等价于⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-11R L 和⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-21R L 同时为正或同时为负，这就要求两镜面的曲率半径为正时必须同时大于腔长或同时小于腔长。
如果镜面的曲率半径同时为负，尽管上式左边成立，右边的不等式却不成立。
如果镜面的曲率半径一正一负，则需要具体讨论。
2.共轴球面腔的稳定图及其分类为了直观起见,常用稳定图来表示共轴球面腔的稳定条件。
IPG大功率光纤激光器 内部普及版(独家)
光纤激光器外观
光纤
QBH
光纤激光的传输原理
光纤是一种高度透明的玻璃丝，由纯石英经复杂的工艺拉制而成。 光纤中心部分(芯Core)＋同心圆状包裹层(包层Clad)＋涂覆层
包层 芯
树脂被覆层
特点：ncore>nclad 光在芯和包层之间的界面上反复进行全反射，并在光纤中传递下去。
光纤结构图
套层 外包层 纤芯 一次涂覆层
激光模块的组合
+
+
+
+
= xxx kW
Modular Multi-KW Fiber Laser Very High Beam Quality
激光模块的监控
功率显示
模块温度显示 模块选择显示
激光模块电源
激光模块电源
电源状态监控
电源状态显示
典型制冷机组
连接方式
IPG标配的两种制冷机
IPG WW chiller
YLR-xx- yy-WW series
YLR-xx- yy-QCW series
S2(4,6)-xx series, remote BS
C2-xx series, remote FFC
WA-xx series, remote WA chiller
WW-xx series, remote WW chiller
Multimode Fiber Laser with internal 2-ways Beam Switch on top
内置两路光闸
P ≥ 3000 W
YLR-2000-S2T-QCW Fiber Laser
Peak Peak Power Power (@ (@ workpiece) workpiece) Wave Wave Length: Length: Internal Internal 2-ways 2-ways BS BS installed installed Feeding Feeding Fiber Fiber Diameter Diameter 50 50 µm µm Process Process Fiber Fiber Diameter Diameter 100 100 µm µm Process Process Fiber Fiber Length Length BPP BPP Footprint Footprint Hight Hight Power Power Consumption Consumption Wall Wall Plug Plug Efficiency Efficiency up up to to 50m 50m 3 3 mm mm x x mrad mrad 856 856 x x 806 806 mm mm 1186 1186 mm mm max. max. 7 7 kW kW ~ ~ 30 30 % % 1070 1070 nm nm 4.0 4.0 kW kW
激光器的工作原理
激光器的工作原理现代很多领域中都使用了激光器，激光器在很多设备中都发挥着核心作用。
今天我们一起学习一下激光器的工作原理。
一、光与物质的三种相互作用根据量子力学，原子中的电子有固定轨道和能级，能级间的能量量子化。
当物质受到光的辐照时，光与物质（原子、分子、电子等）相互作用，存在三种光跃迁过程（three optical transition processes）: 受激吸收、自发辐射、受激辐射。
1、受激吸收stimulated absorption受激吸收，一般称为吸收，原子中的电子吸收外来光场中的光子，从低能级跃迁至高能级，满足hv=e2-e1,（受激）吸收使外来光子数减少。
跃迁几率（跃迁概率）为b12u(v)n1 ，其中b12为爱因斯坦b系数，u(v)为光场，n1为低能级上的粒子数。
可见受激吸收与光场和低能级的粒子数有关系。
2、自发辐射spontaneous emission自发辐射，激发态的粒子在初态处于高能级，处于不稳定，向低能级跃迁，跃迁过程中辐射出光子，光子频率满足hv=e2-e1。
自发辐射的跃迁几率（transition probalility）为a21n2，其中a21为爱因斯坦a 系数，n2为高能级上的粒子数。
可见自发辐射与高能级的粒子数有关系。
a21的物理意义是指单位时间内发生自发辐射的粒子数密度，占e2能级总粒子数密度的百分比，即每一个处于e2能级的粒子在单位时间内发生的自发跃迁几率。
3、受激辐射stimulated emission外来光子辐照至高能级的粒子，粒子结果产生向低能级跃迁，同时辐射出一个光子，这个光子与外来的入射光子波长频率一致，满足hv=e2-e1。
受激辐射的光子与外来光子的特性完全相同，即具有相同的频率、偏振方向、传播方向以及相同的相位。
这样，输入一个光子，输出变成了两个状态完全相同的光子，并且这两个光子可再作用于其他粒子，继续引起受激辐射，从而获得大量特征完全相同的光子。
激光设备激光器功率控制系统控制方式要点
三、激光器功率控制方式——激励信号控制
系统上电后，电压比较器的正端设定正电压 值VSET，负端电压假设为0，则比较器输出的 低电平致使电容充放电模块对电容充电，随着 电容电压的缓慢上升，恒流源的驱动电流不断 升高，激光器输出光强不断升高，PIN探测电 流变大，从而导致反馈回路输出电压升高，直 至高过比较器正端电压VSET后，比较器输出由 低电平跳变为高电平，接着执行上述过程的反 过程：电容放电、激光器功率减小，由此循环 往复，最终稳定激光器发光功率。
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二、调Q实现方式
（2）声光调Q特点是： ——用于低增益的激光器，可获得脉宽几十纳秒，功率几百千瓦的 高频脉冲； ——对高能量激光器的开关性能差，不宜用高能调Q激光； ——多用于获得中等功率、高重复频率的脉冲激光。
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二、调Q实Байду номын сангаас方式
（3）染料调Q:是在一个固体激光器的腔内插入一个染料盒构成的 。染料盒内装有可饱和染料。这些染料媒质具有突变的吸收饱和特 点，当波长处于其吸收峰附近且入射光信号较弱时，染料媒质对于 入射光呈现出非常明显的吸收趋势（相当于处于“关闭”状态）； 当入射光信号增强到一定程度时，染料媒质对入射光突然呈现出明
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一、激光器功率控制方式——调Q控制
调Q技术是在激光器的谐振腔内加入了开关调制器件，使激光以高 能量脉冲的方式输出。调Q控制是对激光能量控制，同时也是对激光 脉冲峰值进行控制。
目前 调Q 技术
转镜调Q 电光调Q 声光调Q 染料调Q
………
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二、调Q实现方式
（1）电光调Q:是利用晶体的电光效应作为Q开关的元件。
激光电源的激励信号控制法：激励信号可以是直流电压或脉宽调制 （PWM）信号。通过改变激光器输出功率所对应的控制信号以控制 激光电源的输出。PWM脉宽调制是靠改变脉冲宽度来控制输出电压 ，通过改变周期来控制其输出频率。这一方法也用在激光器的速度 控制上。
21激光设备激光器功率控制系统控制方式要点
三、激光器功率控制方式——激励信号控制
下图为一激光器自动功率控制系统原理框图，此控制系统激励信号 为直流电压。整体电路形成一个闭合环路，通过负反馈机制稳定激 光器的输出功率。
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三、激光器功率控制方式——激励信号控制
该控制电路由电压比较器、电容充放电模块、恒流源和反馈回路构成 。其工作原理是：电容充放电模块根据比较器输出电压的高低循环跳 变，来对电容进行充放电，最终将其电压值稳定在某预设值，从而间 接控制恒流源的输入电压，并进一步控制激光器电流，恒流源直接驱 动激光器，它的输入电压和激光器驱动电流成正比例关系。
（1）电光调Q:是利用晶体的电光效应作为Q开关的元件。
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二、调Q实现方式
（1）电光调Q：利用晶体的电光效应，在晶体上加一阶跃式电压， 调节腔内光子的发射损耗。开始工作时，晶体两端加一电压，由于 晶体的偏振效应，谐振腔的损耗很大，Q值低，激光器不振荡，激光 上能级不断积累粒子数，Q开关处于关闭状态。某一特定时刻，突然 撤去晶体两端电压，谐振腔突变至损耗低，Q值高，Q开关打开，形 成巨脉冲激光。
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二、调Q实现方式
（2）声光调Q: 声光调Q器件由声光互作用介质（如熔融石英）和键合于其上的换 能器所构成。换能器将高频信号转换为超声波。在激光腔内插入声 光调Q器件，可以产生很高的衍射损耗，此时腔内具有很低的 Q值 ，Q开关处于关闭状态。当激光高能级积累大量粒子数时，撤除超 声波，衍射效应即刻消失，损耗下降，Q开关打开，激光巨脉冲遂 即形成。
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二、调Q实现方式
（1）电光调Q特点是： ——有较高的动态损耗和插入损耗；
-9 ——开关速度高，同步性能好。开关时间可以达到10 秒；
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a)可调谐QCL
与传统的热辐射光源相比，QCL 辐射亮度高，光束质量好。
近年来，随着对QCL 的研究深入，QCL 的阈值电流密度不断下降，而工作温度和峰值功率普遍提高，单芯片的增益范围不断拓宽。
已经有多种工作温度在300K 以上，峰值功率大于100mW ，波长在800-2000cm -1之间，单芯片增益范围数百波数的QCL 实现商用。
根据本项目需求，拟选择Daylight Solutions 公司的üT-9型QC 器件，其光谱参数如图4所示。
由图可以看出，此器件包含了本项目所需要的光谱波段，最大峰值功率达到400mW 。
由于不同波长下的光谱功率响应不同，通过调节电源工作电流或使用滤光片实现功率均衡，以保证仪器在不同波长下具有相近的信噪比。
图4 üT-9型QC 器件的光谱参数
在光谱分析应用中，常用外腔方式对QCL 进行调谐构成外腔量子级联激光器（External Cavity-QCL ，EC-QCL ），本项目拟采用光栅调谐的方式，如图5所示。
光栅
QC 芯片
透镜1
透镜2
AR 膜
带TEC 基座
光栅转动控制
QC 温度控制
QC 电流控制
QCL 控制器
激光输出
图5 光栅调谐外腔示意图
当QC 芯片的准直输出光入射到光栅上时，光栅会将大于零级的同一级衍射光按不同波长在空间上依次展开。
通过旋转光栅改变共振波长，实现激光器的调谐输出。
该方案中，电流驱动方式、温控方式、波长控制方式等诸多因素，都会影响EC-QCL 的可靠性。
本项目拟对这些关键技术问题进行重点研究，开发出满足需求的EC-QCL 。
b)高效光收集系统
人体漫反射光谱中有效信号微弱，而常规光谱仪器的光能利用率较低，很难达到无创血糖监测所需精度。
本项目采用非成像光学设计方法，设计皮肤漫反射光收集装置，提高光能利用率。
c) 高信噪比光信号探测与采集系统
探测器系统作为光信息收集的重要部分，需要具有高探测灵敏度和低噪声功率。
国外已经有商品化的高性能基频波段探测器，如Pyreos公司生产的薄膜热释电探测器响应度达到3000V/W，D*大于1×108@300K，100Hz，热响应时间10ms左右；SELEX GALILED公司生产的DLATGS响应度超过2000V/W，D*大于1×108@300K，100Hz，热响应时间小于5ms。
这些探测器的性能远远高于传统的热释电探测器。
本项目拟根据需求选购适合的基频波段探测器。
课题组在前期工作中曾自行设计了一套前置放大与采集系统，如图6所示。
经测试，该系统的信噪比为7000：1，还需要进一步提升性能以满足本项目无创伤血糖监测的需要。
图6 自制前置放大与采集系统
d)软硬件接口与控制系统
基频波段的仪器软硬件接口与控制系统的结构如图7所示，主要分为：主控系统、温控模块（QCL与探测器）、QCL外腔调谐光栅控制模块、数据采集模块、数据存储与传输模块。
图7 基频波段仪器的软硬件接口与控制系统
1）合频波段的仪器硬件设计
本项目合频波段采用高亮度LED作为光源，分光与探测系统有两种方式，一是采用线性渐变滤光片(Linear Variable Filter)结合高精度阵列探测器；二是采用声光可调滤光器（AOTF）结合高精度单元探测器。
a)合频波段高亮度LED
合频波段的LED亮度比同波段卤钨灯亮度有数量级的提升。
但对于LED光源，若
要达到最优的光谱分析能力，还需要解决以下问题。
① 消除LED 温度变化对其发光特性的影响。
LED 对温度变化敏感，当温度变化时，LED 的中心波长也随之变化。
一些LED 产品（如IBSG 公司）封装了热敏电阻和制冷片，研究设计外接温控电路，可以有效地对LED 的工作温度进行控制，消除温度变化的影响。
② LED 光谱的拓展。
单个LED 光源带宽较窄，不能满足本项目的应用需求。
拟采用多个LED 组合的方式来扩展波段，通过调节各个LED 的脉冲电流强度，实现光谱分布平稳的宽波段光源。
本项目拟采用两种LED 光源耦合方案，即采用菲涅尔透镜或者光纤耦合方式。
其中，菲涅耳透镜的优点是孔径大，轻、薄，结构简单；光纤束耦合的优点是光路灵活，采样方便。
我们将在研究过程中对这两种方案加以比较，并从中选择最优方案。
③
高精度脉冲电源。
LED 直流供电时为避免结温过高，供电电流一般都在100mA
左右，光功率仅几毫瓦；而采用脉冲方式供电时，电流可以达到1-2A ，对应的光功率可以达到几十毫瓦，比直流工作方式高出一个量级。
脉冲工作方式下的LED 更符合本项目的要求，但需要有高精度的脉冲电源以保证LED 光源的稳定性。
Keithley 公司生产的高精度数字源表的指标能够满足本项目的需求。
b)分光系统
本项目在合频波段拟采用线性渐变滤光片(LVF)和声光可调滤光器（AOTF ）分别作为分光器件，配合相应的探测系统实现光谱采集。
① 线性渐变滤光片
利用线性渐变滤光片作为分光器件的光谱仪器不但通量较大，而且结构简单，具有较高的可靠性和稳定性。
我们曾委托杭州麦乐克电子科技有限公司试制了线性渐变带通滤光片样片，光谱分布如图8所示。
图中不同曲线对应着不同的滤光片空间位置。
根据项目要求对现有膜系设计方案进行优化，镀制出满足波长渐变率等设计指标的线性渐变滤光片。
Wavelength(nm)
14901500151015201530
14800204060
70
503010T r a n s m i t t a n c e (%)
图8 线性渐变滤光片实测光谱图。