常见激光器及简单电源拓扑介绍

时间： 2024-06-27 来源：Littelfuse公众号

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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。

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。

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。

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。

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。

常见激光器对比

简单激光电源拓扑

单向交错PFC+LLC

单向三通道交错PFC+全桥

单向三相PFC+LLC

移相全桥+全桥

辅助电源

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