激光电源范文精选

【摘 要】随着现代特种加工技术的不断发展，以及激光技术的广泛应用，YAG激光器以YAG晶体为基质，技术与工艺均较为成熟，在工业及医疗等领域的应用日趋广泛。但是YAG激光器在实际应用中却存在光电效率低、无故障寿命较短等问题，严重影响到其实际应用范围与效果。因此，加强对于其电源节能技术的研究与实践是十分必要的。本文从现代激光技术的角度出发，简要分析了YAG激光器电源节能技术的相关问题。

【关键词】YAG激光器；电源；节能技术

在现代工业激光、医疗激光等研究领域中，YAG激光器均是其重要的分支，加强对于其设计、加工及应用中相关技术问题的深入研究与探讨，对于现代激光技术的创新与发展具有重要的意义。在YAG激光器的应用中，光电效率低、无故障寿命较短等问题是不容忽视的，客观限制了其推广与应用。因此，在今后的技术研究工作中，必须注重YAG激光器电源节能的问题，以实现耗能少、无故障寿命长的基本要求。

1、YAG激光器的工作原理及对于电源的基本性能要求

在YAG激光器光源的选择中，气体连续放电灯管因具有良好的性能而成为首先，此类激光灯管必须配备专业的电源才能保证稳定、安全、高效工作。YAG激光器的工作原理为：YAG激光器普遍是采用气体放电灯激励的，较为常见的YAG连续激光器多是应用连续氖灯泵浦，在满负荷情况下试灯的使用寿命约为200h，在70%的负荷下使用寿命约为1000h。一般情况下，YAG激光器采用灯激励每秒几十次重复频率的激光器，其最大峰值功率可达几百兆瓦，连续输出的最高功率已超过1000W，串联激光器的连续输出功率可达数千瓦。YAG激光器应用的电源为专用电源，其基本性能要求主要包括以下几方面：

1.1气体放电电流波纹应尽可能小，在激光打标、精密加工等过程中，对于激光功率的稳定性要求较为严格，由于受到热惯性作用的影响，激光灯所输出的激光功率波纹会明显低于激光灯管气体放电电流波纹，所以，YAG激光器的电源必须具有理想的高频及低频波纹抑制与调节功能，以实现对于气体放电电流波纹的有效调控。比如在精细网纹辊的精细打孔工业中，必须要求极其优异的接近衍射极限的光束质量，标准的TEM00单模输出，输出波长为1.06微米，单脉冲能量1MJ，准直后光束直径10mm，M2<1.8，光束发散角0.24mrad；经焦距为50mm的透镜聚焦后，光斑直径可以小于6微米（只有多模的Nd:YAG激光器的1/10左右），工作点的峰值功率密度非常高，达109W/cm2,使20瓦平均功率的脉冲光纤激光器用于激光制辊时的效果超过平均功率100瓦的YAG激光器，才可以适合于进行精细网纹辊的精细打孔等应用。

1.2提升引燃灯管的可靠性，并且保证其平滑的过渡至连续放电状态，由于YAG激光器的引燃系统、恒流系统共用一个输出，应特别注意的是在引燃过程中，必须关注恒流控制系统的安全性问题。

1.3大功率、高效率、节能，根据国家的相关规定与要求，要求YAG激光器专用电源的实际工作效率必须保持在93%以上。

摘 要： 利用STM32实现了激光电源的控制系统设计。针对激光焊接的实际应用，对激光电源的功能做了更好的扩展和完善，采用人机界面（HMI）显示来控制激光电源，可以对针对不同的焊接要求进行激光波形和参数的设定，能够满足多数实际运用的需求。系统控制界面稳定性高，易操作，控制能力强；气阀控制和光栅控制能更好的保护焊接操作者；温度控制能有效的保证激光电源系统稳定工作。

关键词： ARM； 激光电源； 人机界面； 激光焊接

中图分类号： TN911?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2013）20?0159?04

0 引 言

随着激光行业的飞速发展，激光器已广泛应用于工业加工领域，如激光切割、激光打标、激光调阻、激光热处理等，除此之外还被作为诊疗设备应用于医疗领域[1]。激光焊接是以聚焦的激光束作为能源轰击焊件所产生的热量进行焊接的方法，是激光材料加工技术应用的重要方面之一。

基于ARM的数字化控制系统能够有效解决激光器的准确、稳定和可靠性问题，数字化、智能化是激光器的必然发展方向。使用ARM对激光电源进行功能扩展控制，能有效提高电源的性价比，简化激光电源的硬件结构，增强整机的自动化程度，为整机的功能扩展提供了有利条件[2?3]。本文重点针对激光焊接应用中的激光电源控制系统进行功能扩展设计，利用ARM控制激光电源的系统设置，包括开关控制、激光参数设置、光栅控制、光阀控制、温度控制等，有效地解决了激光器在焊接过程中的准确、稳定和可靠性问题，同时增设人机界面（HMI）显示控制的友好界面，使用起来更加方便。

1 激光电源的控制功能要求

激光焊接目前已涉及航空航天、武器制造、船舶制造、汽车制造、压力容器制造、民用及医用等多个领域[4]，因此激光电源在激光焊接工艺中应用时具有其独特的设计需求，除了激光发生器的性能要高外，还要求其具有高效率、高可靠性、工作寿命长等优点[5]，实际应用中的激光电源产品还需要对其控制系统进行功能扩展和优化，设计主要从以下几个方面进行考虑：

摘 要：激光电源系统以ATmega16为微控制器，基本功能有：查询、显示、稳光、恒温。半导体激光器激光输出功率受外界温度变化的影响极其严重，最大缺点就是易损坏。因此制作一款半导体激光器的同时，也应设计出配套的性能可靠的激光电源。本系统设计精巧、使用安全、整机性能可靠，可在同类型激光器的控制及发光二极管的控制中推广使用。

关键词：激光器 单片机 电源 控制

中图分类号：TN248.4 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2013）04（b）-0001-01

驱动电源的性能对半导体激光器起到非常大的影响，瞬时电流或者电压突变等许多原因都可破坏激光器。电流、温度的剧烈变化会使输出光功率突变，影响输出的精确、稳定。基于单片机的智能化控制，对于解决半导体激光器工作的准确性、稳定性和可靠性的问题起到了极大改善作用。现介绍一种由单片机控制的激光器电源，该系统具有广大的实际使用前景。

1 系统构造

系统的整体结构见图1。组成模块包括：电源管理模块，控制单元模块、温度控制模块、驱动模块等。因为半导体激光器对驱动电源的特殊要求，电源的设计需非常完善。电源部分由功率驱动路、使能电路、电流负反馈电路、取样放大路、恒流源电路、限流保护电路等组成。控制部分主要包括温度和光功率控制，可使半导体激光器输出更加准确、稳定和可靠。

2 激光电源的设计

2.1 电流源的驱动

摘 要：半导体激光器是目前应用最为广泛的光学器件之一，其运行质量与驱动电源的性能密切相关。结合相关研究设计了一种小功率高稳定半导体驱动电源，该电源以恒流源驱动芯片HY6340为核心，结合半导体致冷器、温度控制芯片、数字温度传感器、过流过压保护电路对半导体激光器进行可设定温度的恒温控制。分析了主电路和控制电路的工作原理，给出了测试结果，与传统电路相比，电源具有结构简单、性能优异、使用元件少、价格低廉等特点。

关键词：半导体激光器；驱动电源；温度控制；稳定输出

中图分类号：TN248.4文献标识码：B

文章编号：1004-373X(2008)07-105-02オ

Low-power Supply of High Stabilization for Semiconductor Laser

LV Yuxiang,YUAN Kuo,ZHANG Zhiqiang,HU Hailin,QIAO Jiping,WANG Pingping

(Technology of Taiyuan University,Taiyuan,030024,China)オ

Abstract：Semiconductor laser is one of the optical elements most in use now,however its operation quality goes hand in hand than the power supply function.Considering some new achievements of relevant research,a new low power supply with the function of constant-current and high stabilization for semiconductor laser is designed.Using the control chip HY6340 of constant-current as nuclear part,with subminiature controller for thermoelectric coolers,thermo-electric cooler,digital temperature sensor,over-current and over-temperature protection circuit can make it working on the constant temperature which we want.The operation principle and control principle of the power is analyzed.Experimented results show the power supply has excellent performance,compared with the traditional products,the output current ripple can be decreased remarkable,the circuit relative simple and reliable.

摘 要： 采用模拟电路设计出一种最大输出可达10 A的压控电流源，针对半导体激光器的工作特性增加了设定电流工作点功能，同时具有上电保护、慢启动、输出使能延时、输出限流等保护功能。给出了电流源输出的推导过程;使用单5 V供电，具有体积小、高可靠性等特点。

关键词： 半导体激光器; 压控电流源; 系统保护; 模拟电路

中图分类号： TN710?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2015）02?0161?02

Design of voltage controlled laser current source with protection

WANG Sheng?jun

（The Academy of Equipment， Beijing 101416， China）

Abstract： A analog circuit is adopted to design a voltage control current source， whose output is up to 10 A. A function for DC operating point setting is added according to operating characteristics of semiconductor laser. It has the functions of power on protection， slow start?up， output enabled delay， output current limitation. The derivation process of current source output is given in this paper. The single 5 V power supply is selected in this design， which has the characteristics of little size and high reliability.

Keywords： semiconductor laser; voltage controlled current source; system protection; analog circuit

1激光源温控电路设计原理

1.1TEC工作原理

半导体制冷器（TEC）是以帕尔贴效应为基础研制而成，其最基础的元件是利用一只P型半导体和一只N型半导体连成的热电偶。当通电后在两个接头处就会产生温差，电流从N流向P，形成制冷面；电流从P流向N，形成制热面。若干组热电偶对串联就构成了一个简单的半导体制冷器。在制冷面或制热面增加一个热交换器就可以完成半导体制冷器与外界环境的能量交换。

1.2半导体激光器温控电路设计

1.2.1半导体激光温控电路原理

高稳半导体激光器一般都有内置半导体热电制冷器（TEC）和温度传感器等相关的温控元件来保证激光器管芯温度可控。半导体激光器内置温控系统基本工作原理如图1所示。将温度传感器（常用负温度系数的热敏电阻）与激光器管芯安置在同一热沉上，起到实时监测激光管芯温度的作用。在常温25℃时（在25℃时激光器的整体性能最为优良），通过调节由R1和R2组成的电阻网络可以设定比较器的参考电压值，在这里称之为基准电压。以25℃为参照，若LD管芯温度相对升高，则热敏电阻的阻值变小，比较器的负输入端电压相对变小，输出电压也随着变化。TEC驱动源将驱使电流从N型半导体流向P型半导体形成制冷面，实现对LD管芯进行制冷。若LD管芯温度相对降低，则热敏电阻的阻值变大，比较器的输入电压相对变大，输出电压也随着变化，TEC驱动源将驱使电流从P型半导体流向N型半导体，形成制热面，实现对LD管芯制热。

1.2.2TEC驱动源类型

半导体激光器的温度控制系统需要满足温度控制精度高、响应速度快且稳定性高的要求，同时要能实现制冷和制热双向控制，以适应外界温度变化和半导体激光器本身工作条件变化。一般情况下，TEC驱动源按驱动工作模式可以分为线性工作模式和脉宽调制工作模式（PWM）两种类型。TEC驱动源线性工作原理：通过控制三极管的开关状态可以控制驱动TEC的电流大小和方向，这种驱动方式的效率一般低于50%，需要为三极管提供良好的导热通道，且有控温“死区”。但这种模式有噪声低和可靠性高等优点。TEC驱动源脉宽调制（PWM）工作原理：在PWM方式下，三极管工作在饱和状态，而不是线性区域，只有当需要向负载供电时才导通。电路通过4个三极管来控制电流的方向和大小，电路结构呈H桥型。PWM方法可以有效地提高效率和降低功率部件的热量，工作效率一般大于80%，能实现无“死区”温控。但这种模式有着噪声高和可靠性低等缺点。两种驱动源在实际使用中各有利弊，具体采用何种驱动方式需要根据实际情况来最终确定。

6月24日，为期三天的第六届上海国际电影论坛暨展览会闭幕。从内容上看，这届展会主要围绕电影院，参展商以放映机、音响、银幕、座椅以及建声材料、相关设备等厂商为主；从规模上看，本届展会要比以展会规模更大，由此前的一层扩展到两层。下面对展会进行简要梳理。

作为整个电影院的核心，放映机厂商一直是各种展会备受关注的焦点。这届CinemaS，科视、巴可、NEC三家放映机厂商出现在了展会上，不难发现，三家厂商无论做的演示还是展示，都主打激光光源。

科视在展位上点亮了CP2308电影放映机，这款产品既有传统氙灯光源，也可以搭载激光光源，在科视展位同时还展示了6P激光的机柜，以及旗下VIVE AUDIO系统，独特的线阵列音箱十分吸引眼球。科视已经连续九年担任上海国际电影节独家数字放映合作伙伴，今年采用的是CP2230放映机，为电影节放映影片。另外，2017年5月科视与苏宁云商集团达成合作，该集团旗下苏宁影城在南京和徐州新落成的影城内分别部署了科视Christie CP2208放映机和Christie 6P激光放映系统，观众可以前往体验。

而NEC也于今年推出了双色激光解决方案，由可以覆盖2-3.5万流明输出亮度的多款产品组成。其中NC3541L+/NC2601L+/NC2041L+/NC2001L+四款产品为双色激光，其中红、蓝采用激光体发光，而绿色还是采用荧光体，在亮度和色彩上较上一代产品有更好的表现，同时兼具性价比。

另外凯世光研的LUX激光放映机也出现在了展会上，由于其光源价格较高，所以并不是十分普及。中科极光也参加了展会，带来了RGB激光的展示，中科极光采用模块化的方式，每一个模块能提供1.5万流明的亮度，亮度最高能达到90000流明，可以应对各种应用场合。

通过对电影市场的观察能够发现，激光光源的优势明显，但用户依旧比较关心价格，所以各大厂商都尽量推出紧凑型、价格优惠的产品应对竞争，而光源改造、分时租赁的方式，相对比较受欢迎。

在音响方面，参加展会的厂商并不多，比较吸引人气的有飞达、音王、JBL三家，音箱的更新换代相对较慢，所以展会上并没有太多亮点。不过音王显然有意开启“多元化”经营，除了传统音响相关产品展示外，还搭建了一间点播影院体验厅。这套解决方案针对目前的影吧，提供全套的视听设备。另外，来自北京的WANOS全景声公司加入了沉浸音的行列，各方面和杜比全景声如出一辙，据悉，今年有望将应用案例增加到40家以上。

辰星科技带来了激光巨幕解决方案和数字影院管理系统，据悉，辰星科技主导研发的RGB激光放映机有望年内上市，RGB激光放映机加上杰士音箱，打造优质激光放映是辰星科技今年的重点。

由于具有体积小、重量轻等特点，半导体激光器(LD)在信息、通讯、医疗等领域得到日益广泛的应用，且与电子器件结合实现单片光电子集成。但是LD容易受到过电压、电流或静电荷的冲击而损坏，其电源的研究愈来愈受到人们的重视。若电源输出电压或电流波形质量不高，又缺乏有效保护，将导致激光器性能下降或造成损坏，因此要设计性能优良的电源来保证LD安全稳定地工作。

本文以数字集成电路为核心，设计能够实现智能控制的半导体激光器电源。

半导体激光器LD工作影响因素

半导体激光器的核心是PN结一旦被击穿或谐振腔面部分遭到破坏，则无法产生非平衡载流子和辐射复合，视其破坏程度而表现为激光器输出降低或失效。

造成LD损坏的原因主要为腔面污染和浪涌击穿。腔面污染可通过净化工作环境来解决，而更多的损坏缘于浪涌击穿。浪涌会产生半导体激光器PN结损伤或击穿，其产生原因是多方面的，包括：①电源开关瞬间电流；②电网中其它用电装备起停机；③雷电；④强的静电场等。实际工作环境下的高压、静电、浪涌冲击等因素将造成LD的损坏或使用寿命缩短，因此必须采取措施加以防护。

传统激光器电源是用纯硬件电路实现的，采用模拟控制方式，虽然也能较好的驱动激光，但无法实现精确控制，在很多工业应用中降低了精度和自动化程度，也限制了激光的应用。使用单片机对激光电源进行控制，能简化激光电源的硬件结构，有效地解决半导体激光器工作的准确、稳定和可靠性等问题。随着大规模集成电路技术的迅速发展，采用适合LD的芯片可使电源可靠性得到极大提高。

系统设计

系统框图见图1。主要由以下几部分构成。

摘 要：半导体激光器最早是通过纯硬件电路的控制模拟来进行驱动。文章以半导体激光器为研究对象，简要地阐述了半导体激光器和驱动电源的基本概念和含义，详细地分析了半导体激光器对驱动电源的基本要求，深入地探讨了半导体激光器驱动电源的设计，以期为相关方面的研究者和设计者提供参考和帮助。

关键词：半导体激光器;驱动电源;设计

中图分类号：TN929.11 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2015）35-0008-02

半导体激光器拥有广阔的应用范围和极大的应用潜力，广泛应用于军事、医疗、商业贸易和工业生产等多个领域。但是传统的半导体激光器内部的设计模式并不好，使用寿命也很短，大大限制住了半导体激光器的使用路径。通过对内部驱动电源的设计分析，可以优化半导体激光器的电力结构，有效延长半导体激光器的使用寿命。

1 半导体激光器和驱动电源的概念和含义

半导体激光具有体积小、重量轻、价格相对较低和驱动电源设计简单等优越性的有利条件。半导体激光器是以半导体材料为工作物质，利用电力产生激光激光的一种物理性工具。半导体激光器要顺利地产生和发射出激光，必须要满足三个基本条件：

一是在电子注入有源区时形成粒子数的反转;

二是电子在光学谐振腔内产生一定波长的光，并利用电子跃迁来提高光的亮度和强度;

摘要：半导体激光器的稳定性更取决于电流控制器。实际中的电流源在应用于半导体激光器中的时候，仍有许多需要改进的地方。在这篇文章中，笔者描述了一种小功率半导体激光器的新型电源的设计方法。

关键词：半导体激光器；驱动电路；慢启动

中图分类号：TM1 文献标识码：A文章编号：1006-4311（2012）04-0045-010引言

随着半导体在通信、测控、医疗、集成光学等技术领域的广泛应用，它越来越受到人们的关注，为其设计一款精度较高、性能可靠、经济、耐用的驱动电源成了我们当前最为紧要的问题，由于半导体激光器“娇贵”的特点，所使用的电源必须要在性能与质量上严格把关。

1半导体激光器转移特性

在一定温度下，当驱动电流低于阈值电流时，激光器输出光功率P近似为零，半导体激光器只能发荧光。驱动电流高于阈值时输出激光，并且光输出功率随着驱动电流的增大而迅速增加并呈线性关系。在实际应用中必须对激光二极管提出两个要求，一是较低的门限电流，二是稳定的P-I曲线。从原理上来讲，在工作物质一定的情况下，半导体激光器输出的激光频率应当由谐振腔长度和激励源的强度有关，换句话说，半导体激光器的输出频率取决于：PN结的温度和注入电流的大小。另外，由于半导体PN结相当脆弱，稍有电流冲击就会造成损害。所以在具体使用半导体激光器时，我们对其供电电路和调制电路的要求相当严格。

我们用异质结来代替同质结就可以将门限电流降低两个数量级，而对于稳定性问题目前只有通过外加恒温和光反馈等来加以改善。对一般的半导体激光器来说，激光二极管是正向结法，光电二极管是反向结法。受光后转换的光电流在电阻上以电压形式反映出射光功率的大小，添加控制电路就可以达到控制发光功率的目的。

2电路设计