什么是激光？常見激光器及簡單電源拓撲介紹

什么是激光：

原子受激輻射的光，故名“激光”：原子中的電子吸收能量后從低能級躍遷到高能級，再從高能級回落到低能級的時候，所釋放的能量以光子的形式放出。被引誘（激發(fā)）出來的光子束（激光），其中的光子光學(xué)特性高度一致。因此激光相比普通光源單色性、方向性好，亮度更高。

激光用途：

有激光打標、激光焊接、激光切割、光纖通信、激光測距、激光雷達、激光武器、激光唱片、激光矯視、激光美容、激光掃描、激光滅蚊器、LIF無損檢測技術(shù)等等。

激光器的分類

按增益介質(zhì)(工作物質(zhì))：

氣體激光器；

代表性：CO2激光器，N2激光器；

液體激光器（染料激光器）；

固體激光器；

代表性：紅寶石激光器，半導(dǎo)體激光器，YAG激光器和光纖激光器；

按輸出功率：

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：

連續(xù)激光器；

脈沖激光器；

毫秒/微秒/皮秒/飛秒。

CO2激光器

CO2激光器在組成結(jié)構(gòu)上，由放電管、諧振腔、電極組成。CO2激光器的工作物質(zhì): CO2、N2、He混合氣體，比例：6%、28%、66%，光束波長：10.65μm。

根據(jù)氣體流動方式分類：

封閉管式：工作氣體在諧振腔中不流動；

慢流式：工作氣體在諧振腔中緩慢流動；

橫流式：工作氣體在諧振腔中流動方向與光束傳播方向垂直；

軸流式：工作氣體在諧振腔中流動方向與光束傳播方向同軸；

根據(jù)激勵方式分類：

普通直流高壓激勵：交流升壓一高壓整流(10~50kV) ；

逆變直流高壓激勵：交流變頻一低壓整流一直流升壓(10~50kV) ；

射頻激勵：采用無線電波的頻率進行激勵。

CO2激光器以切割和焊接應(yīng)用最廣泛,具有結(jié)構(gòu)簡單、造價低、操作方便、工作介質(zhì)均勻、光束質(zhì)量好以及能長時間較穩(wěn)定地連續(xù)工作的優(yōu)點，體積大、重量重、功耗高、維護成本高的缺點。

YAG固體激光器

組成部分：YAG晶體棒、光學(xué)諧振腔、聚光腔、電源系統(tǒng)、泵浦源和冷卻系統(tǒng)等。

固體激光器的工作介質(zhì)：在作為基質(zhì)材料的晶體或玻璃中均勻摻入少量激活離子，除了用紅寶石和玻璃外，常用的還有在釔鋁石榴石(YAG)晶體中摻入三價銣離子(Nd3+)的激光器，它發(fā)射1.060μm的近紅外激光。

常用的脈沖激勵源有充氙閃光燈；連續(xù)激勵源有氪弧燈、碘鎢燈、鉀銣燈等。在小型長壽命激光器中，可用半導(dǎo)體發(fā)光二極管或太陽光作激勵源。

金屬，特別是銅、鋁等有色金屬對此波段的吸收率明顯高于CO2激光器的10.65μm激光，因此，特別適合金屬材料的加工。

半導(dǎo)體激光器

半導(dǎo)體激光器工作原理是激勵方式，利用半導(dǎo)體物質(zhì)（即利用電子）在能帶間躍遷發(fā)光，用半導(dǎo)體晶體的解理面形成兩個平行反射鏡面作為反射鏡，組成諧振腔，使光振蕩、反饋，產(chǎn)生光的輻射放大，輸出激光。

核心發(fā)光部分是由p型和n型半導(dǎo)體構(gòu)成的pn結(jié)管芯，當注入pn結(jié)的少數(shù)載流子與多數(shù)載流子復(fù)合時，就會發(fā)出可見光，紫外光或近紅外光。

常用工作物質(zhì)有砷化鎵（GaAs）、硫化鎘（CdS）、磷化銦(InP)、硫化鋅(ZnS)等。激勵方式有電注入、電子束激勵和光泵浦三種形式。半導(dǎo)體激光器件，可分為同質(zhì)結(jié)、單異質(zhì)結(jié)、雙異質(zhì)結(jié)等幾種。同質(zhì)結(jié)激光器和單異質(zhì)結(jié)激光器在室溫時多為脈沖器件，而雙異質(zhì)結(jié)激光器室溫時可實現(xiàn)連續(xù)工作。

半導(dǎo)體激光器體積小、質(zhì)量輕、壽命長、結(jié)構(gòu)簡單而堅固，并可采用簡單的注入電流的方式來泵浦，其工作電壓和電流與集成電路兼容，因而可與之單片集成。并且還可以用高達GHz的頻率直接進行電流調(diào)制以獲得高速調(diào)制的激光輸出。由于這些優(yōu)點，半導(dǎo)體二極管激光器在激光通信、光存儲、光陀螺、激光打印、測距以及雷達等方面得到了廣泛的應(yīng)用。

光纖激光器

光纖激光器（Fiber Laser）是指用摻稀土元素玻璃光纖作為增益介質(zhì)的激光器，光纖激光器可在光纖放大器的基礎(chǔ)上開發(fā)出來：在泵浦光的作用下光纖內(nèi)極易形成高功率密度，造成激光工作物質(zhì)的激光能級“粒子數(shù)反轉(zhuǎn)”，當適當加入正反饋回路（構(gòu)成諧振腔）便可形成激光振蕩輸出。

光纖激光器的結(jié)構(gòu)類似于傳統(tǒng)的固體激光器、氣體激光器，主要由泵浦源、增益介質(zhì)、諧振腔三大部分構(gòu)成。

按照光纖材料的種類進行分類：

晶體光纖激光器，非線性光學(xué)型光纖激光器，稀土類摻雜光纖激光器，塑料光纖激光器。

按光纖結(jié)構(gòu)分類：

單包層光纖激光器、雙包層光纖激光器、光子晶體光纖激光器、特種光纖激光器。

光纖激光器的特點：光束質(zhì)量好，電光效率高，散熱特性好，結(jié)構(gòu)緊湊，可靠性高。

由于光纖纖芯直徑小，在纖芯內(nèi)容易形成高功率密度，因此光纖激光器具有較高的轉(zhuǎn)換效率、較低的闕值、較高的增益、較窄的線寬、且可方便高效的實現(xiàn)與當前光纖通信系統(tǒng)的連接。

由于光纖具有很好的柔繞性，因此光纖激光器具有小巧靈活、結(jié)構(gòu)緊湊、性價比較高、且更易于系統(tǒng)的集成的特點。

與傳統(tǒng)的固體激光器、氣體激光器相比，光纖激光器的能量轉(zhuǎn)換效率較高、結(jié)構(gòu)較緊湊、可靠性高、且適合大批量的生產(chǎn)。

與半導(dǎo)體激光器相比，光纖激光器的單色性較好、調(diào)制時可產(chǎn)生較小的畸變、且與光纖的耦合損耗較小。

常見激光器對比

簡單激光電源拓撲

單向交錯PFC+LLC

單向三通道交錯PFC+全橋

單向三相PFC+LLC

移相全橋+全橋

輔助電源

審核編輯：劉清