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。
03
02
01
03
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。
02
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。
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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。