激光抄数

激光抄数（共12篇）

激光抄数 篇1

1 技术及应用背景

近年来,显示技术发生了前所未有的巨大变革,无论是市场还是技术都处于急剧变化、飞速发展的时期,应用范围不断扩大。显示技术的一个理想目标是能给予观众身临其境的临场感。为此,显示技术需集大画面、高分辨率、逼真的立体感和丰富的色彩等诸多要素于一身。数字高清技术的发展和推广将解决高分辨率的问题,同时也会促进大屏幕市场的发展。现在3D立体显示技术也在迅速发展,将逐渐带给观众较强的立体感受。

激光显示由于光源是点光源,便于节能高效的大屏幕投影系统的设计,在大屏幕应用上更具优势。激光显示能再现的色域可达其他技术的两倍,可给予观众一种全新的视觉感受。激光光源的简易高速调制也易与3D信号结合,而且激光显示3D图像因色彩丰富,观赏辨析起来更容易,能减少人眼的疲劳。

激光显示因具备上述特性,而最有希望成为带来完美临场感的显示技术,从而成为下一代显示技术研发的热点。

随着时代的发展和技术水平的提高,家用平板电视的尺寸不断增大。根据中国城乡家电市场零售监测报告,家用电视产品屏幕尺寸越大,其销售量增长速度就越快;最近三年,60 inch及以上的平板电视年销售量增长率均超过了150%。这显示了消费者对超大画面有着巨大的需求。但是目前超大尺寸平板电视高昂的价格抑制了这一需求。而激光显示容易实现大屏幕,面积价格比高,同时超短焦激光投影技术空间容易排放,所以超短焦激光投影影院系统成为大尺寸显示行业的一个发展方向。

2 激光显示技术的家庭影院方案定位

激光家庭影院产品定位于高端家庭影院市场。传统投影机以其特有的“以点生面”的显示方式被广泛应用在各种大尺寸信息显示环境中,但是传统家庭影院在家用显示领域中却一直处于边缘地位,主要原因有三个:一是传统家庭影院对安装有较高的要求,需要专门设计摆放、布线和装修方案,对空间较小的家庭环境产生较大的影响;二是其使用的灯泡光源寿命短而且更换不便;三是无法像电视一样日常观看,使用率低。这三点缺陷使得传统家庭影院难以在家庭中普及。

近年来,激光家庭影院的出现,为消费者提供了一种全新的家用大屏幕显示的选择。激光家庭影院在发挥激光光源这一先进技术优势的同时,精确瞄准家庭用户,针对性地结合超短焦投影和抗环境光屏幕等多项领先技术,突破了传统家庭投影的定位,发展成为全新的产品形态。其兼具超大画面、鲜艳色彩、超长寿命、绿色环保以及媲美平板电视的全天使用能力,会给家庭用户带来全新的体验。

3 超短焦激光家庭影院关键技术

激光家庭影院以激光光源模组技术和超短焦投影技术为核心,以高效散热技术和一体化结构设计为重要支撑,发挥电路控制和硬件方面的优势,配合智能化操作系统,形成了独特的产品架构,见图1。激光家庭影院整体效果见图2。

(1)激光光源

激光影院所采用的光源,是以蓝光激光激发多色荧光粉产生彩色光,包含以下几个关键点:

a.大功率激光器阵列的合光与光束压缩技术

光源使用成熟的商用大功率蓝光半导体激光器,该激光器排列成阵列。项目要求将数十片排列成阵列的激光光束进行合光和压缩,在提高激发功率的同时减小镜片和光源体积。业内一般有如图3所示的两种合光方案。

具体方案需要根据整机的结构要求和散热设计进行选择。两种方案的关键都在于控制激光器阵列以及合光反射镜的结构和机械公差,使其满足光学设计的公差要求,保证激光照射荧光粉的效率。

b.与光机照明一体化的荧光光路设计技术

光源将根据光机照明的要求,设计高效的荧光收集光路。激光激发出的荧光具有与成熟的规格化、标准化的高压汞灯光源不同的发光性质,需要根据光机照明的要求设计相应的荧光收集光路,以实现整机效率的最大化。这部分设计同样要注意机械结构公差与光学公差的配合,需共同进行设计。

c.光源与整机的散热优化

项目的散热设计要从整机系统层面进行统筹设计,从理论分析开始,建立光源和整机的热流模型,计算优化散热设计,同时光源和整机的结构也要相互配合做出相应的调整,实现整机散热效果的优化。

(2)超短焦光机模组

图4所示的自主研制完成超短焦投影光机模组,投射比为0.24,光机模组采用二次成像设计,可以实现不同形态的整机产品,量产良率高,成本便宜,分辨率达到1 920×1 080。

(3)激光家庭影院电路系统

激光家庭影院电路系统主要由整机电源电路、前端视频处理电路、图像显示电路及光源驱动电路等组成。

激光家庭影院前端视频处理芯片支持多种全高清信号格式输入,同时支持单帧超分辨率提升,运动自适应边缘补偿去隔行;非线性缩放引擎;画质增强,亮度、色度瞬态改善、自适应对比度调整、行/场锐度提升、自动黑白延伸、伽马校正、色彩管理等。前端视频处理芯片将视频信号送入图像显示电路,图像显示电路控制显示芯片显示图像。

激光家庭影院显示芯片采用的是TI的0.65 inch DMD芯片,分辨率为1 920×1 080,数字微镜的响应时间为10 ns,从而可保证高速的屏幕刷新频率,使得显示图像稳定不闪烁。

(4)抗环境光超短焦屏幕

抗环境光超短焦屏幕是激光影院的重要组成部分。与传统的家庭影院屏幕相比,该屏幕具有明显的特点:a.屏幕的菲涅尔结构设计与超短焦镜头完全匹配,具有超短焦、离轴等特点,与传统背投屏幕的结构区别较大。b,独特的抗环境光设计可以大大扩展激光影院电视的适用环境,可以让用户作为电视日常使用。

4 超短焦激光家庭影院的性能优点

目前超短焦激光家庭影院整机技术指标如下:

此超短焦激光家庭影院主要有以下优点:

(1)灵活的安装方式,投影100 inch屏幕时,整机距离屏幕只有10 cm,可以放置在屏幕下方,解决了传统家庭影院布线的局限性。

(2)绚丽的显示效果,整机采用激光光源,显示色域可达82%(NTSC)。整机使用寿命可达20 000 h以上,按每天观看6 h算,可观看近10年。

(3)全天候使用能力。激光家庭影院采用减反射屏幕,屏幕可消除环境光对显示效果的影响,可使在室内明亮环境下的观看效果接近暗室的观看效果。

5 应用与未来发展

激光显示所面临的问题主要是系统成本急需降低和产业化应用。激光显示现在的成本问题主要集中在激光光源上,近年来随着蓝光半导体激光器的大量使用,激光光源的成本正在逐渐降低,如果能在市场应用上找到突破口,激光显示将大有可为。

激光家庭影院目前处于市场探索阶段,从市场调查与用户试用的反馈来看,效果很好。家庭用户对超大画面体验表现出了极大的热情。除了影院应用外,激光家庭影院以其优秀的观看效果和环境适用性,在可用性方面可以与液晶电视媲美,高清电视节目观看、视频游戏、网页浏览方面都有很好的用户体验。如果能抓住目前的时机,依靠产业链的合作,将价格进一步降低,其将具有广阔的市场前景。以激光家庭影院为基础,进一步提高亮度,有望将其应用领域扩展到商业和教育领域。

激光抄数 篇2

激光打印机维修及故障代码速查

激光打印机是一种光、机、电一体化的高度自动化的计算机输出设备。主要由激光扫描系统、机械传动统和以墨粉与硒鼓为主的成像介质以及电路部分、转换部分及加热部分组成。其工作原理是首先机内的充电单元给硒鼓加负电荷，然后主板根据从主机传送过来的信号控制激光器发射激光，激光照在硒鼓表面会在硒鼓表面留下静电图象，粉仓中的碳粉会被吸附到硒鼓表面的静电图象上形成碳粉图象，当硒鼓表面和传送过来的纸张接触时图象转印到纸上，最后通过对纸加热使图象永久保存在纸上。打印过程具体可分为充电、曝光、成像、转印、分离、定影、清洁7 步。

当打印机出现故障时，要先排除其他操作不当和材料不适合的问题，不要急于拆解打印机，要先关闭总电源开关，等打印机温度降下来后重新开机，以观察故障是否清除，如果故障现象依旧再进行检修，

另外要注意的是激光打印机的许多部件，如硒鼓组件、定影组件、搓纸轮等属于消耗部件，需定期更换。

爱普生激光打印机维修要领

爱普生激光打印机内置的故障判断程序在故障发生时会按不同类型的机器以不同的方式显示故障代码，维修工程师可以通过故障代码的含义初步判断出故障部位，参阅相应机型的维修手册根据手册提供的解决方法进行维修。

爱普生激光打印机的故障代码显示主要分为以下3 种类型：

1. 晶屏显示型 其故障代码通过打印机控制面板上的液晶屏显示。代表机型有EPL-N1610、EPL-N2120 等；

2. 指示灯显示型 其故障代码通过打印机控制面板上的指示灯或闪或亮的不同组合分别予以显示。代表机型有：EPL-5900、EPL-6100 等；

激光抄数 篇3

激光就是先进制造领域的一把利器，对一个国家的先进制造业发展有着至关重要的作用，而先进制造业的水平，体现着综合国力的强弱。

29岁就成为中国科学院半导体所最年轻的研究员，他最感谢的是他的导师、中国工程院院士许祖彦。导师不仅教给他扎实的基础知识，同时也教会他如何做人。

跨越鸿沟，就是一个全新的自己

2005年，博士毕业后来到半导体所科技处工作刚刚一年的林学春接到了一项艰巨的任务——筹建全固态光源实验室。

从无到有，往往要付出常人难以想象的努力。创建初期，林学春白天被科技处各种事务性工作填得满满当当，研究只能放在晚上做。大功率激光器实验危险性很强，水、电、光都集中到一个很小的区域，稍不留神。水溅出来会有灾难性的后果，看不见的激光射出来会把钢板烧个窟窿。而那时，实验室里只有林学春一个人在同时面对这些可能发生的危险。

危险，林学春不怕，但让他苦恼的是，如何才能得到理想的实验结果。很长一段时间内，他觉得自己离成功很远，想到研究所为实验室投入的那么多经费可能要付诸东流。他不免心急如焚。

一个能取得或功的人总是一个善于调节自己情绪的人。很快，他就豁然开朗了，要作出成绩必须先平静下来，有无所畏惧的决心和勇气。他把激光器部件一个个拆开，反复对比每一个参数，认真设计每一个步骤，经常在不知不觉中，发现窗外天已大亮。

尽管很累。但是他说。要感谢那段时间，因为在每天的坚持中，他不光看到了自己的进步，还锻炼了自己的意志，“现在我无论碰到什么困难都不怕，跟过去遇到的困难比起来小多了”。

跨越了鸿沟，成果接踵而至。实验室相继突破3kW、4kW、6kW和8kW激光输出，缩短了与国际上该领域的差距。2008年，以林学春作为项目负责人承担的“863”重点项目“高功率5千瓦全固态激光器”的课题“高功率全固态激光器研究”通过了科技部专家组严格评估。这是我国首次研制成功的满足工业需求的5千瓦级全固态激光器，并具有完全自主知识产权。这项成果对打破国际禁运、实现激光先进制造装备工程化具有重要意义。

进军“激光革命”

人类的文明史就是一部人类利用光的历史，激光则是迄今为止“最亮的光”，“激光革命”在改变着世界。让自己所制造的激光器服务于社会，在这场“革命”中取得一点小小的成绩，是林学春最大的心愿。

近年来，为加快科技成果转化，林学春及其科研团队以“工业应用需求”为导向，研制出一系列工业化高稳定性、高可靠性激光器及其装备，广泛应用于激光焊接、表面处理、精细加工和激光医疗等领域并取得了显著的成效。

他们研制的高稳定性全固态激光器被中国计量院作为标准光源，对国内的功率计进行标定。他们还开发出国内领先的1000W准连续（90ns）全固态激光器，用于船舶的除漆除锈等行业。目前应用于新加坡IDI激光有限公司。

林学春及其科研团队研发出的全固态高能量脉冲（121/脉冲）激光器可以对金属表面进行毛化。使载货重轨能在雨雪等恶劣天气下正常行驶，技术将有望应用到高速铁路上。这将大大提高我国高铁在恶劣天气中的运营能力。

林学春团队研制出的工业用1～5kW高性能系列化全固态激光器于2010年成功与江苏省丹阳市天坤集团签订成果转化协议，直接为研究所带来了2000万元的现金收益。这项技术将广泛应用于汽车、船舶、航空、铁路等对国民经济起举足轻重作用的材料加工领域，对尽快扭转我国在先进制造领域关键成套装备基本依靠进口的局面，提高技术创新能力具有重要意义。

激光抄数 篇4

机载激光器是美国导弹防御局弹道导弹防御系统的组成部分之一, 是一种能独立进行目标探测并实施多目标攻击的机载激光武器, 主要用于拦截敌方在助推段飞行的战区弹道导弹, 迄今耗资30多亿美元.

机载激光器预定射程为300～580 km, 武器系统总重45 t, 至少能击毁同时发射的三枚弹道导弹.机载激光器安装在改装的波音747-400 F运输机上, 采用化学碘氧激光器 (COIL) , 有3个激光波束系统:激光杀伤波束 (主波束) 、一组激光照射波束和一个激光信标波束.波音公司负责飞机改装并提供战场管理系统, 同时完成总的系统综合;诺斯罗普·格鲁门公司提供高能激光器和信标照射激光器;洛克希德·马丁公司除提供光束控制/火控系统外, 还负责机头安装的炮塔.

2007年3月, 美国导弹防御局在加州海滨完成了首次机载激光器瞄准系统的飞行发射试验, 在此次试验中, 安装在波音747-400飞机内的跟踪照射激光器 (TILL) 向一幅涂绘在KC-135运输机侧面的导弹图像成功进行了多次照射.2007年5月1日, 机载激光器飞机第一次完成了被动跟踪垂直机动目标的试验, 当时一架改装的747-400飞机利用机载被动传感器, 对一架处于加力状态并高速垂直爬升的F-16战斗机进行了定位、截获、瞄准和跟踪.此次试验是机载激光器飞行试验中的一个重要阶段, 验证了众多关键系统的能力, 为2009年将要进行的拦截真实目标的试验奠定了基础.2007年9月4日, 在完成用低能激光器进行的飞行模拟攻击试验后, 波音公司随即于开始在机载激光器飞机上安装高能化学激光器, 并计划在2009年初进行高能激光器的飞行试验, 预计2009年8月进行短程弹道导弹的拦截试验, 为了保证上述进度, 美国参议院于2007年9月为机载激光器项目又加拨了5000万美元.目前, 机载激光器项目共进行了48次飞行试验, 各个子系统的试验已经基本完成.

激光焊 篇5

激光功率

激光焊接中存在一个激光能量密度阈值，低于此值，熔深很浅，一旦达到或超过此值，熔深会大幅度提高。只有当工件上的激光功率密度超过阈值（与材料有关），等离子体才会产生，这标志着稳定深熔焊的进行。如果激光功率低于此阈值，工件仅发生表面熔化，也即焊接以稳定热传导型进行。而当激光功率密度处于小孔形成的临界条件附近时，深熔焊和传导焊交替进行，成为不稳定焊接过程，导致熔深波动很大。激光深熔焊时，激光功率同时控制熔透深度和焊接速度。焊接的熔深直接与光束功率密度有关，且是入射光束功率和光束焦斑的函数。一般来说，对一定直径的激光束，熔深随着光束功率提高而增加。

光束焦斑

光束斑点大小是激光焊接的最重要变量之一，因为它决定功率密度。但对高功率激光来说，对它的测量是一个难题，尽管已经有很多间接测量技术。

光束焦点衍射极限光斑尺寸可以根据光衍射理论计算，但由于聚焦透镜像差的存在，实际光斑要比计算值偏大。最简单的实测方法是等温度轮廓法，即用厚纸烧焦和穿透聚丙烯板后测量焦斑和穿孔直径。这种方法要通过测量实践，掌握好激光功率大小和光束作用的时间。

材料吸收值

材料对激光的吸收取决于材料的一些重要性能，如吸收率、反射率、热导率、熔化温度、蒸发温度等，其中最重要的是吸收率。

影响材料对激光光束的吸收率的因素包括两个方面：首先是材料的电阻系数，经过对材料抛光表面的吸收率测量发现，材料吸收率与电阻系数的平方根成正比，而电阻系数又随温度而变化；其次，材料的表面状态（或者光洁度）对光束吸收率有较重要影响，从而对焊接效果产生明显作用。

CO2激光器的输出波长通常为10.6μm，陶瓷、玻璃、橡胶、塑料等非金属对它的吸收率在室温就很高，而金属材料在室温时对它的吸收很差，直到材料一旦熔化乃至气化，它的吸收才急剧增加。采用表面涂层或表面生成氧化膜的方法，提高材料对光束的吸收很有效。

焊接速度

焊接速度对熔深影响较大，提高速度会使熔深变浅，但速度过低又会导致材料过度熔化、工件焊穿。所以，对一定激光功率和一定厚度的某特定材料有一个合适的焊接速度范围，并在其中相应速度值时可获得最大熔深。保护气体

激光焊接过程常使用惰性气体来保护熔池，当某些材料焊接可不计较表面氧化时则也可不考虑保护，但对大多数应用场合则常使用氦、氩、氮等气体作保护，使工件在焊接过程中免受氧化。

氦气不易电离（电离能量较高），可让激光顺利通过，光束能量不受阻碍地直达工件表面。这是激光焊接时使用最有效的保护气体，但价格比较贵。

氩气比较便宜，密度较大，所以保护效果较好。但它易受高温金属等离子体电离，结果屏蔽了部分光束射向工件，减少了焊接的有效激光功率，也损害焊接速度与熔深。使用氩气保护的焊件表面要比使用氦气保护时来得光滑。

氮气作为保护气体最便宜，但对某些类型不锈钢焊接时并不适用，主要是由于冶金学方面问题，如吸收，有时会在搭接区产生气孔。

使用保护气体的第二个作用是保护聚焦透镜免受金属蒸气污染和液体熔滴的溅射。特别在高功率激光焊接时，由于其喷出物变得非常有力，此时保护透镜则更为必要。

保护气体的第三个作用是对驱散高功率激光焊接产生的等离子屏蔽很有效。金属蒸气吸收激光束电离成等离子云，金属蒸气周围的保护气体也会因受热而电离。如果等离子体存在过多，激光束在某种程度上被等离子体消耗。等离子体作为第二种能量存在于工作表面，使得熔深变浅、焊接熔池表面变宽。通过增加电子与离子和中性原子三体碰撞来增加电子的复合速率，以降低等离子体中的电子密度。中性原子越轻，碰撞频率越高，复合速率越高；另一方面，只有电离能高的保护气体，才不致因气体本身的电离而增加电子密度。

表

常用气体和金属的原子(分子)量和电离能

材料 氦 氩 氮 铝 镁 铁

原子(分子)量 4 40 28 27 24 56

电离能(eV)24.46 15.68 14.5 5.96 7.61 7.83

从表可知，等离子体云尺寸与采用的保护气体不同而变化，氦气最小，氮气次之，使用氩气时最大。等离子体尺寸越大，熔深则越浅。造成这种差别的原因首先由于气体分子的电离程度不同，另外也由于保护气体不同密度引起金属蒸气扩散差别。

氦气电离最小，密度最小，它能很快地驱除从金属熔池产生的上升的金属蒸气。所以用氦作保护气体，可最大程度地抑制等离子体，从而增加熔深，提高焊接速度；由于质轻而能逸出，不易造成气孔。当然，从我们实际焊接的效果看，用氩气保护的效果还不错。

等离子云对熔深的影响在低焊接速度区最为明显。当焊接速度提高时，它的影响就会减弱。

保护气体是通过喷嘴口以一定的压力射出到达工件表面的，喷嘴的流体力学形状和出口的直径大小十分重要。它必须以足够大以驱使喷出的保护气体覆盖焊接表面，但为了有效保护透镜，阻止金属蒸气污染或金属飞溅损伤透镜，喷口大小也要加以限制。流量也要加以控制，否则保护气的层流变成紊流，大气卷入熔池，最终形成气孔。

为了提高保护效果，还可用附加的侧向吹气的方式，即通过一较小直径的喷管将保护气体以一定的角度直接射入深熔焊接的小孔。保护气体不仅抑制了工件表面的等离子体云，而且对孔内的等离子体及小孔的形成施加影响，熔深进一步增大，获得深宽比较为理想的焊缝。但是，此种方法要求精确控制气流量大小、方向，否则容易产生紊流而破坏熔池，导致焊接过程难以稳定。

透镜焦距

焊接时通常采用聚焦方式会聚激光，一般选用63~254mm(2.5”~10”)焦距的透镜。聚焦光斑大小与焦距成正比，焦距越短，光斑越小。但焦距长短也影响焦深，即焦深随着焦距同步增加，所以短焦距可提高功率密度，但因焦深小，必须精确保持透镜与工件的间距，且熔深也不大。由于受焊接过程中产生的飞溅物和激光模式的影响，实际焊接使用的最短焦深多为焦距126mm(5”)。当接缝较大或需要通过加大光斑尺寸来增加焊缝时，可选择254mm(10”)焦距的透镜，在此情况下，为了达到深熔小孔效应，需要更高的激光输出功率（功率密度）。

当激光功率超过2kW时，特别是对于10.6μm的CO2激光束，由于采用特殊光学材料构成光学系统，为了避免聚焦透镜遭光学破坏的危险，经常选用反射聚焦方法，一般采用抛光铜镜作反射镜。由于能有效冷却，它常被推荐用于高功率激光束聚焦。

焦点位置

焊接时，为了保持足够功率密度，焦点位置至关重要。焦点与工件表面相对位置的变化直接影响焊缝宽度与深度。

在大多数激光焊接应用场合，通常将焦点的位置设置在工件表面之下大约所需熔深的1/4处。

激光束位置

对不同的材料进行激光焊接时，激光束位置控制着焊缝的最终质量，特别是对接接头的情况比搭接结头的情况对此更为敏感。例如，当淬火钢齿轮焊接到低碳钢鼓轮，正确控制激光束位置将有利于产生主要有低碳组分组成的焊缝，这种焊缝具有较好的抗裂性。有些应用场合，被焊接工件的几何形状需要激光束偏转一个角度，当光束轴线与接头平面间偏转角度在100度以内时，工件对激光能量的吸收不会受到影响。

功率控制

焊接起始、终止点的激光功率渐升、渐降控制

激光深熔焊接时，不管焊缝深浅，小孔现象始终存在。当焊接过程终止、关闭功率开关时，焊缝尾端将出现凹坑。另外，当激光焊层覆盖原先焊缝时，会出现对激光束过度吸收，导致焊件过热或产生气孔。

为了防止上述现象发生，可对功率起止点编制程序，使功率起始和终止时间变成可调，即起始功率用电子学方法在一个短时间内从零升至设置功率值，并调节焊接时间，最后在焊接终止时使功率由设置功率逐渐降至零值。[1]

3优缺点编辑

（1）焊件位置需非常精确，务必在激光束的聚焦范围内。

（2）焊件需使用夹治具时，必须确保焊件的最终位置需与激光束将冲击的焊点对准。（3）最大可焊厚度受到限制渗透厚度远超过19mm的工件，生产线上不适合使用激光焊接。

（4）高反射性及高导热性材料如铝、铜及其合金等，焊接性会受激光所改变。（5）当进行中能量至高能量的激光束焊接时，需使用等离子控制器将熔池周围的离子化气体驱除，以确保焊道的再出现。

（6）能量转换效率太低，通常低于10%。（7）焊道快速凝固，可能有气孔及脆化的顾虑。（8）设备昂贵。

为了消除或减少激光焊接的缺陷,更好地应用这一优秀的焊接方法,提出了一些用其它热源与激光进行复合焊接的工艺,主要有激光与电弧、激光与等离子弧、激光与感应热源复合焊接、双激光束焊接以及多光束激光焊接等。此外还提出了各种辅助工艺措施，如激光填丝焊（可细分为冷丝焊和热丝焊）、外加磁场辅助增强激光焊、保护气控制熔池深度激光焊、激光辅助搅拌摩擦焊等。

(1)功率密度。功率密度是激光加工中最关键的参数之一。采用较高的功率密度，在微秒时间范围内，表层即可加热至沸点，产生大量汽化。因此，高功率密度对于材料去除加工，如打孔、切割、雕刻有利。对于较低功率密度，表层温度达到沸点需要经历数毫秒，在表层汽化前，底层达到熔点，易形成良好的熔融焊接。因此，在传导型激光焊接中，功率密度在范围在10^4~10^6W/CM^2。

(2)激光脉冲波形。激光脉冲波形在激光焊接中是一个重要问题，尤其对于薄片焊接更为重要。当高强度激光束射至材料表面，金属表面将会有60~98%的激光能量反射而损失掉，且反射率随表面温度变化。在一个激光脉冲作用期间内，金属反射率的变化很大。

(3)激光脉冲宽度。脉宽是脉冲激光焊接的重要参数之一，它既是区别于材料去除和材料熔化的重要参数，也是决定加工设备造价及体积的关键参数。

(4)离焦量对焊接质量的影响。激光焊接通常需要一定的离做文章一，因为激光焦点处光斑中心的功率密度过高，容易蒸发成孔。离开激光焦点的各平面上，功率密度分布相对均匀。离焦方式有两种：正离焦与负离焦。焦平面位于工件上方为正离焦，反之为负离焦。按几何光学理论，当正负离焦平面与焊接平面距离相等时，所对应平面上功率密度近似相同，但实际上所获得的熔池形状不同。负离焦时，可获得更大的熔深，这与熔池的形成过程有关。实验表明，激光加热50~200us材料开始熔化，形成液相金属并出现问分汽化，形成市压蒸汽，并以极高的速度喷射，发出耀眼的白光。与此同时，高浓度汽体使液相金属运动至熔池边缘，在熔池中心形成凹陷。当负离焦时，材料内部功率密度比表面还高，易形成更强的熔化、汽化，使光能向材料更深处传递。所以在实际应用中，当要求熔深较大时，采用负离焦；焊接薄材料时，宜用正离焦。

4应用编辑

激光焊接机技术广泛被应运在汽车、轮船、飞机、高铁等高精制造领域，给人们的生活质量带来了重大提升，更是引领家电行业进入了精工时代。

特别是在大众汽车创造的42米无缝焊接技术，大大提高了车身整体性和稳定性之后，家电领头企业海尔集团隆重推出首款采用激光无缝焊接技术生产的洗衣 机，该家电为人民珍视了科技的进步，先进的激光技术可以为人民的生活带来巨大的改变。随着洗衣机全球品牌地位的不断巩固，其对行业的引领开始全面展现，然 而有激光焊接机技术的支持，也将对家电行业有一个更深的改革。据海尔研发人员介绍，市场上的全自动洗衣机内桶的制造技术大多采用“扣搭”技术，内桶的衔 接处会存在缝隙或不平整，导致桶体强度不高、对衣物产生不必要磨损。为了进一步提高内桶的可靠性和精细化，海尔洗衣机以汽车、造船行业为参照母本，将激光 无缝焊接技术应用在匀动力洗衣机新品上，避免了内桶缝隙和不平整的产生，在全面提高了产品的可靠性的同时更加呵护衣物。由于内桶的强度的提高，匀动力洗衣 机脱水过程中最高转速比普通全自动洗衣机也提高了25%，脱水效率大幅提升，并且耗电少、用时省。

此外，还了解到，中德造船业合作研发的“高功率激光焊接机技术”，保证了轮船的安全性，进一步加强了船身结构；在航空领域，激光无缝焊接技术也已广泛 应用于飞机发动机的制造上，同时，铝合金机身的激光无缝焊接技术可以取代铆钉，从而减轻了20%的机身重量；我国的高铁轨道也引进了激光无缝焊接技术，在 提高安全性能同时，也大大降低了噪音，为旅客带来安静舒心的乘车环境。

随着科技的全面发展，激光焊接机技术的不断巩固与应用，也带领全球的家电产业步入了一个新时代，新的工艺不仅是产品的升级，也是更多科技的展示和应用。[2]

1、制造业应用

激光拼焊(TailoredBlandLaserWelding)技术在国外轿车制造中得到广泛的应用，据统计，2000年全球范围内剪裁坯板激光拼焊生产线超过100条，年产轿车构件拼焊坯板7000万件，并继续以较高速度增长。国内生产的引进车型Passat，Buick，Audi等也采用了一些剪裁坯板结构。日本以CO2激光焊代替了闪光对焊进行制钢业轧钢卷材的连接，在超薄板焊接的研究，如板厚100微米以下的箔片，无法熔焊，但通过有特殊输出功率波形的YAG激光焊得以成功，显示了激光焊的广阔前途。日本还在世界上首次成功开发了将YAG激光焊用于核反应堆中蒸气发生器细管的维修等，在国内苏宝蓉等还进行了齿轮的激光焊接技术。

2、粉末冶金领域

随着科学技术的不断发展，许多工业技术上对材料特殊要求，应用冶铸方法制造的材料已不能满足需要。由于粉末冶金材料具有特殊的性能和制造优点，在某些领域如汽车、飞机、工具刃具制造业中正在取代传统的冶铸材料，随着粉末冶金材料的日益发展，它与其它零件的连接问题显得日益突出，使粉末冶金材料的应用受到限制。在八十年代初期，激光焊以其独特的优点进入粉末冶金材料加工领域，为粉末冶金材料的应用开辟了新的前景，如采用粉末冶金材料连接中常用的钎焊的方法焊接金刚石，由于结合强度低，热影响区宽特别是不能适应高温及强度要求高而引起钎料熔化脱落，采用激光焊接可以提高焊接强度以及耐高温性能。

3、汽车工业

20世纪80年代后期，千瓦级激光成功应用于工业生产，而今激光焊接生产线已大规模出现在汽车制造业，成为汽车制造业突出的成就之一。德国奥迪、奔驰、大众、瑞典的沃尔沃等欧洲的汽车制造厂早在20世纪80年代就率先采用激光焊接车顶、车身、侧框等钣金焊接，90年代美国通用、福特和克莱斯勒公司竟相将激光焊接引入汽车制造，尽管起步较晚，但发展很快。意大利菲亚特在大多数钢板组件的焊接装配中采用了激光焊接，日本的日产、本田和丰田汽车公司在制造车身覆盖件中都使用了激光焊接和切割工艺，高强钢激光焊接装配件因其性能优良在汽车车身制造中使用得越来越多，根据美国金属市场统计，至2002年底，激光焊接钢结构的消耗将达到70000t比1998年增加3倍。根据汽车工业批量大、自动化程度高的特点，激光焊接设备向大功率、多路式方向发展。在工艺方面美国Sandia国家实验室与PrattWitney联合进行在激光焊接过程中添加粉末金属和金属丝的研究，德国不莱梅应用光束技术研究所在使用激光焊接铝合金车身骨架方面进行了大量的研究，认为在焊缝中添加填充余属有助于消除热裂纹，提高焊接速度，解决公差问题，开发的生产线已在奔驰公司的工厂投入生产。

4、电子工业

激光焊接在电子工业中，特别是微电子工业中得到了广泛的应用。由于激光焊接热影响区小加热集中迅速、热应力低，因而正在集成电路和半导体器件壳体的封装中，显示出独特的优越性，在真空器件研制中，激光焊接也得到了应用，如钼聚焦极与不锈钢支持环、快热阴极灯丝组件等。传感器或温控器中的弹性薄壁波纹片其厚度在0.05-0.1mm，采用传统焊接方法难以解决，TIG焊容易焊穿，等离子稳定性差，影响因素多而采用激光焊接效果很好，得到广泛的应用。

5、生物医学

生物组织的激光焊接始于20世纪70年代，Klink等及jain[13]用激光焊接输卵管和血管的成功焊接及显示出来的优越性，使更多研究者尝试焊接各种生物组织，并推广到其他组织的焊接。有关激光焊接神经方面国内外的研究主要集中在激光波长、剂量及其对功能恢复以及激光焊料的选择等方面的研究，刘铜军进行了激光焊接小血管及皮肤等基础研究的基础上又对大白鼠胆总管进行了焊接研究。激光焊接方法与传统的缝合方法比较，激光焊接具有吻合速度快，愈合过程中没有异物反应，保持焊接部位的机械性质，被修复组织按其原生物力学性状生长等优点将在以后的生物医学中得到更广泛的应用。

6、其他领域

在其他行业中，激光焊接也逐渐增加特别是在特种材料焊接中国内进行了许多研究，如对BT20钛合金、HEl30合金、Li-ion电池等激光焊接，德国玻璃机械制造商GlamacoCoswig公司与IFW接合技术与材料实验研究院合作开发出了一种用于平板玻璃的激光焊接新技术。

5混合焊接优势编辑

激光混合焊接技术具有显著的优点。对于激光混合，优点主要体现在：更大的熔深/较大缝隙的焊接能力；焊缝的韧性更好，通过添加辅助材料可对焊缝晶格组织施加影响；无烧穿时焊缝背面下垂的现象；适用范围更广；借助于激光替换技术投资较少。对于激光MIG惰性气体保护焊混合，优点主要体现在：较高的焊接速度；熔焊深度大；产生的焊接热少；焊缝的强度高；焊缝宽度小；焊缝凸出小。从而使得整个系统的生产过程稳定性好，设备可用性好；焊缝准备工作量和焊接后焊缝处理工作量小；焊接生产工时短、费用低、生产效率高；具有很好的光学设备配置性能。

用激光“激走”痤疮 篇6

几乎每个人的学生时代身边都会有一个或几个为青春痘困扰的朋友，或者我们自己就是那个整日发愁的人。痤疮看起来问题不大，但它对肌肤外观的损害却很严重。而且很难有效治愈，即使随年龄消褪，也常会留下色素印甚至瘢痕等一系列问题。

问题描述：

痤疮是毛囊和皮脂腺慢性炎症的皮肤病，主要发生于面部，尤其是前额、双颊、下颌。初期损害为粉刺，中期损害多为红肿，有脓疮，此起彼伏，久治不愈。

此外，还有特殊类型的痤疮，医学上称之为聚合性痤疮，是最为严重的一种，病程可长达数年之久，脓疮囊肿时肿时消，并引起纤维增生，产生窦道和癍痕等混合性损害，也就是我们常常看到的有些男生、女生面部皮肤凹凸不平，毛孔粗大，非常影响美观。

传统的治疗方法：

很多人认为，痤疮是青春期男女自然生长的，即使治疗也不会有什么效果，因此等到非常严重时才到医院就诊，一般传统的治疗方法大致是：

A、提醒患者注意皮肤清洁，少吃油腻及刺激性食物，多吃蔬菜、水果；

B、口服消炎及调节内分泌的药物，如甲硝唑、安体欣；

C、外用痤疮灵、脂溢酊3号；

D、做面部药膜。

上述这些治疗方法，往往需要的时间较长，且效果不明显。因此患者很难坚持治疗，最终放弃的很多。

激光治疗全面解决痤疮问题：

有没有方法能有效全面地解决痤疮问题？回答是肯定的。激光治疗不仅能治愈痤疮，而且对痤疮愈后留下的红印、色素斑及癍痕均有较好的治疗效果，能真正解决痤疮带来的一系列问题。

痤疮的激光治疗

痤疮丙酸杆菌是痤疮的元凶，属厌氧菌，是毛囊内的长住菌，它的增多会产生溶脂酶，分解皮脂中的甘油三脂，释放游离脂肪酸，刺激毛囊漏斗部导管角化，导致皮脂排出受阻、毛囊壁损伤破坏，引起真皮毛囊周围程度不同的深部炎症，出现丘疹、脓疮、结节等。

而激光对痤疮的治疗是一种深部的、直接作用于毛囊的治疗。采用400nm-1200nm的波长，直接输出光源，2-7.5j/cm2的能量密度，35ms的脉宽，22*55mm大小的光斑，可迅速抑制痤疮丙酸杆菌，从而消除痤疮。

治疗过程

听起来有点神秘的激光治疗，过程到底是什么样的呢？其实，它相当简单：

首先，由医生仔细检查你的皮肤状况，根据痤疮类型确定是否需要激光治疗。一般而言，炎性期的痤疮均可采用激光治疗。然后医生会详细填写治疗方案，并对皮损部位照相，以便对比治疗前后的效果。

走进治疗室，平躺下来，医生先用洗必泰局部消毒，如果脸上出现白头或黑头，还要先进行彻底清理。治疗正式开始前，医生会嘱咐你闭上双眼或为你戴上护眼罩，以免造成眼睛损伤。

在你闭上眼睛的这段时间里，医生都做了些什么呢？他正根据痤疮的轻重程度，用激光治疗头紧贴病灶照射，并观察皮损周围的反应，及时调节能量大小。这时你会有轻微的针刺感，除此一般没有其他不适。

如此下来，整个治疗过程大约只需要10分钟。不过，彻底治愈需要反复进行2～4次治疗，一般每周进行一次。较严重的患者可以每周治疗两次，治愈则需4～8次。

结束后，医生应叮嘱你千万不可用手挤捏患处；禁食刺激性食物，多吃新鲜蔬菜和水果；保持良好的心态；保证充分的睡眠。如果你有便秘毛病，可口服清热解毒胶囊。

那么，使用激光治疗痤疮的费用是不是很高呢？应该说不是很贵，每次约160元。它省时方便，又不影响正常生活工作，整个治疗过程在一种较为轻松的环境下进行，更重要的是效果显著，极少不良反应。

痤疮红印、色素斑的激光治疗

对于痤疮愈合后所遗留的痤疮红印、色素斑，我们应用美国最新光子专利技术——IPL激光治疗仪进行治疗。IPL技术是一种非剥脱动力疗法，它的强脉冲光可穿透皮肤，被组织中发色的血管、色素团优先吸收，使其分解，而不损伤正常皮肤。同时，治疗后皮下胶原组织增厚、弹性纤维重新排列，弹性增强，使红印变浅、色素变淡。在血管性、色素性病变方面的卓越疗效，已得到了广泛的认可。

治疗过程：

治疗前仔细清洁面部皮肤，医生会根据患者皮肤类型选择治疗的能量密度，肤色较白者能量密度可较大，肤色较黄或偏黑者能量密度则相应降低，以免引起色素沉着。

治疗时，医生会按即刻皮肤反应来调节激光的能量密度，皮肤微微发红，说明治疗有效果。也可能先试做一个光斑，让患者体会一下，以消除紧张情绪。整个治疗过程大约需要20分钟。激光治疗头与皮肤之间有冷凝胶保护（冷凝胶有美白、传导的作用），治疗时的感觉就像皮筋轻轻弹了一下，无太大不适感。

治疗后少数患者可能会出现面部发红，请不要担心，这种现象数小时后即可消失。

此后一段时间不要食用刺激性食物；尽量避免日光，以免引起色素沉着。

IPL技术属无创性治疗，不影响生活和工作，治疗后即可洗脸化妆、上班、学习。4～6次为一个疗程，费用相对较贵，大约在千元左右。

瘢痕的激光治疗

过去几年中，CO2激光皮肤磨削术成为治疗瘢痕、皱纹、色素异常的一种流行方法，但是副作用较多。而新型超脉冲CO2激光磨削术，无出血，也不会形成焦痂，比传统磨皮和深层化学剥落更具优势。

超脉冲CO2激光是根据选择性光热作用原理设计的脉冲模式，可以减少在治疗时焦痂的形成，并减少热弥散和热损伤。超脉冲CO2激光作用于细胞内和细胞外的水，在激光能量较高时引起组织汽化，当激光照射皮肤的时间处在250um到1ms之间时，可避免皮肤组织受到损伤。当然，也并非都是完全无损伤性的，在治疗一些特殊体质的患者时，即使是有经验的医生有时也会出现一些术后副作用。

治疗过程：

患者平卧，用洗必泰消毒皮肤（禁用酒精等易燃性消毒物品），局部用利多卡因麻醉。打开激光，调节能量、光斑、脉冲类型，逐层磨削到一定深度。治疗时一定要把握好磨削的深度，以免引起新的瘢痕。手术结束后局部用凡士林软膏保护创面。

治疗后需避水一周，预防感染。结痂后切勿撕脱，待其自然脱落后可使用防晒用品。防晒3个月为佳，以减少色素沉着。

对于较严重的癍痕可分次治疗，对于萎缩性癍痕则需要行外科美容手术切除。

激光抄数 篇7

选区激光烧结 (SLS) 技术是采用红外激光作为热源来烧结粉末材料成型的一种快速成型技术[1]。激光扫描是SLS成型工艺中的关键环节。成型过程中, 当新铺粉层预热达到稳态后, 进行激光扫描;在这个过程中, 粉末吸收激光能量, 温度升高熔化粘结;成型缸内部中心区预热温差较小, 而在靠近缸壁的区域, 由内到外预热温度呈明显降低趋势。由于预热温度不均匀, 导致SLS成型件密度不均匀[2,3]。

基于此, 本研究通过增加激光能量密度来对温度预热不足进行补偿, 从而提高SLS成型件机械强度。

1 激光与材料的相互作用

1.1 粉末能量密度差模型

粉床表面的激光能量密度直接影响到制件的烧结密度。能量密度是由激光功率、扫描速度和扫描间距决定的。能量密度差计算公式如下:

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式中 erf—误差函数;Ar—粉床表面的吸收率;B—烧结宽度;ω—激光束的特征半径;P—激光功率;V—扫描速度。

1.2 激光能量输入下的粉末预热温差模型

SLS粉床表面预热温度在150 ℃～173 ℃之间。预热温度差 (粉床某点的实际预热温度与设置的预热温度) 可表示为[4]:

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式中 C—比热容;ρ—铺粉密度;h0—烧结深度。

由以上两式计算可得, 在增加能量密度ΔE=1.5×10-3 J/mm2 (即约增加1 W功率或约减少0.01 mm扫描间距) 时, 能够补偿的预热温差ΔT=4.3 K (4.3 ℃) 。

1.3 能量密度对烧结件性能的影响

零件的机械性能与烧结密度有很大的关系, 在粉床表面的不同区域, 预热温度相差较大, 在同样的加工参数下导致烧结密度差别较大, 因此烧结件的机械性能差别也较大[5]。

2 试验研究

试验材料为Duraform PA, 是3D System生产的新一代复合粉末, 用它生产的热塑性塑料制品具有很好的表面质量和热稳定性, 并且能经受住严格的性能测试, 缩短制品的试验、生产周期[6,7]。

试验设备与仪器选择3D System公司生产的Sinterstation HIQ+HS快速成型机;游标卡尺;精度为0.000 1 g的电子天平。

2.1 能量密度对温度的补偿试验

参数设置:预热温度在155 ℃～173 ℃之间取7个水平, 每3 ℃调整激光能量密度, 同一预热温度做两组试验, 选用不同的调整激光功率和扫描间距。

试件:8 mm×8 mm×8 mm的方块, 按中心位置进行定位, 摆放在 (0, 0) 点。

各参数设置如表1所示。

2.2 温度补偿前后烧结成型件机械性能试验

以上分析了粉床表面的预热温度场, 以及能量密度和预热温度的共同作用对烧结件密度的影响。在研究能量密度调整对预热温度较低区域的密度改善的基础上, 本研究进行了强度试验。

试件根据塑料拉伸试样标准GB/T1040-2006确定, 采用标准型1B型样件 (如图1所示) , 样件尺寸如表2所示。试件在成型缸中竖直放置, 坐标位置分别为高度相同的3个典型位置a (0, -40, 200) 、b (0, -145, 200) 、c (135, -145, 200) 上, 竖直放置时试件截面较小, 按中心定位, 如图2所示。因为中间区域烧结良好, a位置试件按默认参数 (激光功率为22 W, 扫描间距为0.15 mm) 加工。而b、c位置试件各做两组, 一组选用默认参数加工, 另一组按调整的参数加工 (如表1所示) , 每组制备5个试件, 测试结果取平均值 (如表4所示) 。

试验设备采用深圳市瑞格尔仪器有限公司生产的KG4100型微机控制电子万能试验机, 拉伸速度为5 mm/s。

3 试验结果与分析

能量密度对温度的补偿试验结果数据如表3所示。

由试验结果可见, 在预热温度为155 ℃～173 ℃的区域按表1的温差与能量密度差进行参数调整, 试件烧结密度相近。将表1的温差与能量密度差进行拟合, 两者近似服从线性关系, 如图3所示, k为0.505, 得到两者的经验关系式:

ΔT=kΔE (3)

式中 ΔT—粉床表面某点温度与设定温度之差;ΔE—调整的能量密度与默认加工设置的密度之差。

根据试验温度场回归模型式Tp (x, y) =b1+b2x+b3x2+b4x3+b5y+b6y2+b7y3计算可知b位置的预热温度为161 ℃, 根据能量密度对温度的补偿经验关系式, 需要增加的激光能量密度为6.13×10-3J/mm2, 取激光功率为26 W, 扫描间距为0.15 mm;计算得到c位置的预热温度为155 ℃, 根据式 (3) 计算得到需要增加的激光能量密度为9.19×10-3J/mm2, 取激光功率为28 W, 扫描间距为0.15 mm。

烧结成型件机械性能试验结果数据如表4所示。

由试验结果可见, 在同一加工参数下, 不同位置的烧结件拉伸强度相差很大。其中预热温度良好区域a处的试件强度达到了48.8 MPa, 拉伸断口凹凸不平 (如图4 (a) 所示) , 说明烧结良好, 接近实体尼龙产品;在靠近成型缸壁的b处试件强度相对要小很多, 只有32.6 MPa;而在角落位置的c处, 试件烧结很不充分, 仅为15.5 MPa, 其断口平整 (如图4 (b) 所示) , 说明层与层之间粘结不良, 在较小的作用力之下就相互脱离。

在b、c位置处, 调整激光能量密度后, 单位面积的激光能量输入增大, 补偿了预热温度的不足, 试件烧结充分, 产品强度得到提升, 满足了机械性能要求。试验结果说明, 将式 (3) 应用于实际烧结可取得较好的效果。

强度试件竖直放置时截面较小, 所以按中心定位, 设置参数进行加工。而当实际加工件较大时, 其性能由强度最薄弱处决定, 因此烧结时可按截面上最低预热温度处计算所需调整的激光能量密度, 从而设定参数进行加工。

4 结束语

本研究分析了激光与材料的相互作用, 基于粉床表面接受的激光能量密度的理论, 利用改善烧结密度的能量密度调整公式, 并结合试验分析了调整能量密度对烧结密度的影响, 得到了预热温差与能量密度差的经验公式。最后将经验公式应用于烧结强度试验件, 分析结果表明, 该方法能够提高产品机械强度。

摘要：选择性激光烧结 (SLS) 成型预热温度从成型缸中间到缸壁呈降低趋势, 由于预热温度不均匀, 导致SLS成型件密度不均匀。针对这一问题, 通过增加激光能量密度对预热温度不足进行了补偿。通过试验建立了激光能量密度差ΔE与预热温差ΔT的经验公式, 并比较了温度补偿前后烧结件的机械强度。实验结果表明, 通过增加激光能量密度对预热温度不足进行补偿, 提高了产品机械强度。

关键词：选择性激光烧结,能量密度,烧结密度,温度补偿

参考文献

[1]刘伟军.快速成型技术及应用[M].北京:机械工业出版社, 2005.

[2]李湘生.激光选区烧结的若干关键技术研究[D].武汉:华中科技大学材料科学与工程学院, 2001.

[3]赵宝军.选择性激光烧结快速成形工艺建模与优化研究[D].北京:北京航空航天大学材料科学与工程学院, 2002.

[4]王正伟.基于温度场的选区激光烧结成型工艺关键技术研究[D].杭州:浙江工业大学机电工程学院, 2008.

[5]陈鸿.基于选择性激光烧结快速成型系统及其关键技术研究[D].北京:北京理工大学机电工程学院, 2001.

[6]于千, 白培康, 王建宏.复合尼龙粉末激光烧结快速成型技术进展[J].工程塑料应用, 2005, 33 (5) :77-79.

激光抄数 篇8

1. 激光的诞生

1960年在加利福尼亚州马里布的休斯研究实验室, 西奥多·梅曼 (Theodore Maiman) 设计和建造了一台小型的激光发生器。他将闪光灯线圈缠绕在指尖大小的红宝石棒上, 产生了第一束激光, 激光时代由此开启, 从此和人们的生活息息相关。

梅曼的实验显示, 闪光灯发出的足以致盲的强光可以使红宝石棒充能, 这些能量随后以纯粹的红色光脉冲的形式释放, 这些相干光有恒定的相位差, 就像是列队前进的士兵们。

2. 激光武器

随着激光的诞生, 军事机构和小说家看到射线枪能够成为现实, 就开始着手打造激光武器。1964年, 007电影《金手指》中大反派“金手指”奥瑞克威胁詹姆斯-邦德, 要用激光将他锯成两半——这在当时, 还是纯粹的幻想。

3. 三维激光

1948年科学家发明了全息技术, 以提高电子显微镜的分辨率, 但埃米特·利斯 (Emmett Leith) 和朱瑞斯·乌帕特尼克斯 (Juris Upatnieks) 在1964年使用激光对全息技术进行了彻底改造, 发明了第一个不需要特制眼镜就能看到的三维图像。

他们用分裂的激光光束将全息图记录在感光片上, 其中一束激光先被从被摄物体上反射开来, 然后再与另一束会合, 在感光片上成像。用一束与成像时相同方向的激光照射感光片, 就会在观看者眼前产生一幅逼真的三维图像。这张玩具火车图是这两位科学家在密歇根大学的威洛·鲁恩实验室第一次记录的全息图。

4. 梦幻激光

最初时, 激光的色彩是相当有限的:氦氖激光器和红宝石发出红光, 其他激光器则产生不可见的红外线。人们借助离子激光器第一次实现了如彩虹般的七彩激光, 它通过在氩或氪中的高压放电产生激光。氩气产生蓝色和绿色的光, 氪产生其他几种颜色, 两种气体的混合可以产生整个可见光谱中的颜色。梦幻的激光秀从此诞生。

纪念激光诞生50年:从射线武器到聚变供能

5. 无处不在的激光

激光技术第一次走进日常生活, 是美国超市使用发出红色氦氖激光的条形码扫描枪实现收款自动化。若尔斯·阿尔费罗夫 (Zhores Alferovand) 和赫伯特·克勒默 (Herbert Kroemer) 改进了制作半导体二极管激光器的方法, 让激光真正地无处不在。这两位科学家因此获得了2000年的诺贝尔物理奖。 (图中所示为一个半导体二极管激光器和五美元钞票大小的对比。) 如今, 这样的芯片随处可见, 比如说CD播放器、蓝光播放器、红色激光笔并构成了全球电信网络的骨干。

6. 用途广泛的刀片

在工业上, 激光被用作永远不会变钝的锯和钻头。最初人们使用激光来加工硬度很高的材料, 如钻石, 或非常柔软的材料, 例如婴儿奶瓶的奶嘴。

低功率激光可以切割和焊接塑料;高功率激光可以切割和焊接金属。早期的工业激光器, 必须要有非常庞大的体形, 才能产生足够的能量, 但新型固态激光器却非常小巧, 给人印象深刻:如今一段细光纤或几分之一毫米厚、扑克大小的盘片就能产生千瓦级的能量, 足以切开几厘米厚的金属片。

7. 激光广泛的医学用途

激光的首次在医学上的成功应用是进行眼内手术, 无需要切开眼球。早在1962年, 一台红宝石激光器将病人脱落的视网膜与眼球重新连接, 使他恢复了视力。更大的成功在1968年到来, 外科医生弗朗西斯·莱斯佩朗斯和贝尔实验室的工程师使用氩离子激光器破坏异常的血管, 以避免这些血管在视网膜中扩散, 这种病症后果非常严重, 会导致糖尿病人失明。这种治疗方法已经挽救了数百万人的视力。如今, 激光也被用来切割角膜, 以矫正视力, 或者消除胎记和刺青。

8. 激光之母

很久以来可控核聚变都是人们最理想的清洁能源产生方式。1962年, 在加利福尼亚州的劳伦斯利弗莫尔国家实验室, 物理学家约翰·纳科尔斯 (John Nuckolls) , 提出用激光脉冲加热和压缩重氢同位素块来实现可控核聚变。

激光抄数 篇9

关键词：激光抄数,Imageware,数据拼合,模型重构

1 引言

逆向工程是对已有的实物原型,利用3D数字化设备如实地测量出其表面的三维坐标点,并根据这些坐标点通过三维几何建模方法来重建其CAD模型,在此基础上的创新设计及后续产品制造的过程。专业逆向工程软件如Surfacer、Imageware、Geomagic Studio等都得到了广泛的应用。

SEREIN 600Ⅱ三维激光抄数机由深圳市思瑞精密机器有限公司制造,属于非接触式激光扫描系统,具有精度高、速度快、对工件无磨损、易装夹、易操作等优点,可广泛应用于汽车、摩托车、电子通讯、玩具、工艺品等行业。

SEREIN 600Ⅱ三维激光抄数机主要性能指标如下:二次元测头分辨率0.001mm;二次元测量精度0.02mm;三维测量精度0.05mm(有效景深100mm);测量景深100mm;单次扫描宽度50mm;操作系统WINDOWS2000,扫描软件ReScan V3.1,数据输出格式ASCII,外形如图1所示。

2 复杂零件的三维激光抄数过程

SEREIN 600Ⅱ三维激光抄数机的测头可以在X、Y、Z三个方向水平移动,工作台可以绕工作台中心转动。抄数分为旋转式和平移式两种,对于回转体零件,用旋转式扫描;非回转类零件,用平移式扫描。复杂零件的抄数过程多是旋转式扫描和平移式扫描的结合,有时还需要变换装夹方式。如图2所示,抄数步骤如下:

(1)系统开机,启动Rescan软件,用标准校验棒修正工作台中心坐标;

(2)将玩具汽车外壳模型表面喷涂均匀反光粉,凉干;

(3)采用合适的装夹方式,这里将玩具车外壳轻轻放在120×80×30(长×宽×高)垫块上,用502胶在模型底面两点固定。

(4)将固定好的模型和垫块轻放在工作台合适位置,扫描开始后不得随意乱动。采取平移扫描方式,调整好焦距和景深,选择扫描起始点和终点,设定扫描步距和扫描高度,开始扫描并记录数据。这里每次扫描高度是50mm,如果高度不够,可以累加。如图2所示,在1#工位,扫描A面,假如A面高度为80mm,那么在高度方向应至少分为2段。系统会自动先从0~50mm开始扫描,然后从50~100mm开始扫描,2段的数据保存为car1.asc文件。

(5)将工作台逆时针旋转90°,转到2#工位,调整好焦距和景深,选择好扫描起始点和终点,设定好扫描步距和扫描高度,开始扫描B面,数据保存为car2.asc文件。同理可以在3#工位扫描C面,4#工位扫描D面,文件分别为car3.asc,car4.asc。

由于在整个扫描过程中工作台、模型和垫块相对位置没有移动,而且本次开机的工作台中心坐标已作过修正,数据拼合误差最小。用Imageware加载4个文件后可以看见点云拼合很好,如图3~图6所示。

通过上述4次扫描以后,外壳周边部分的轮廓已经出来了,但是车顶面部分没法扫描到,必须变换位置扫描顶面部分,但是位置变换以后,数据就无法自动拼合在一起,必须找到某个参照系作为基准进行坐标变换。由于用502胶粘接汽车外壳和垫块,在粘接牢固的情况下可以认为汽车外壳和垫块的相对位置没有变,可以以垫块六面体的棱边作为基准,变换位置进行扫描,扫描结果保存为cardm.asc文件,加载cardm.asc文件后如图7所示。

3 数据的整理与拼合

至此,整个车体外壳的特征面全部扫描完成,由于在扫描过程中变换过扫描位置,所以图7所示,车外壳的周边扫描图形和顶面扫描图形不在一个位置面上,必须进行拼合。

拼合前,对明显的噪声点和杂点用circle-select points命令予以去除,以加载的car1至car4的文件成一组,cardm为另一组,以垫块的棱边为基准,首先用create菜单下fit plane进行平面拟合,再用modify菜单下Align的stepwise命令进行平面贴合,贴合后还需在modify菜单下Orient的rotate和translate命令进行图形坐标变换。变换好以后的图形保存为goodcar1.imw文件,如图8所示。

删除掉作为装夹和定位的垫块扫描点,反复放大缩小,删除所有的噪声点和杂点,然后将文件保存为goodcar2.imw,如图9所示。

4 模型创建与误差分析

由于图9显示的方式是以点云方式显示,不容易判断产品的外观特征。因此,先将点云资料计算成三角网格形式,利用Point Display中的Ground Shaded对点云着色,借助光影于物体上的分布,可以比较清楚的判断产品的外观形状,建模操作过程如下:

步骤1:Imageware下主菜单【Construct】|【PolygonMesh】|【Polygonize Cloud】命令,在Neighborhood Size文本框中输入2,其它参数按系统内定,完成三角网格创建,结果如图10所示。

步骤2:选择主菜单【Evaluate】|【Surface Flow】|【Cloud Reflectance】命令,在各选项中进行调整参数,结果如图11所示。

步骤3:选择主菜单【Construct】|【Feature Line】|【Color Based】命令,在各选项中进行调整参数,结果如图12所示。

步骤4:选择主菜单【Modify】|【Extract】|【Circle Select Point】命令,分割点云数据,结果如图13所示,为使造型方便,可以将整个模型按顶面、前围、左侧围、右侧围、后围、立柱等分割成不同的部分,放入不同的层中,不同部位的曲面造型只单独打开并显示该层。

步骤5:选择主菜单【Construct】|【Surface From Cloud】|【Uniform Surface】命令,以顶面为例,在【Fitting Direction】选项中选择选项,单击应用,完成曲面创建,结果如图14所示。

当曲面创建好之后,就可以与点云进行误差分析,如果误差量过大,则需要重新创建曲面或曲面误差调整。

步骤6:误差分析。选择主菜单【Measure】|【Surface to】|【Cloud Difference】命令,接着依序选择曲面、点云,单击应用后得出图15。从图15分析条中可以看到曲面与点云的最大误差为0.194mm,根据所允许的误差范围,来判断曲面质量,看是否需要重新造型。

利用上述的操作过程,完成各曲面的创建,打开各层并进行曲面的拼接与裁减,最终结果如图16所示。

5结论

复杂零件的逆向工程工作量巨大,从测量到数据整理,再到模型重建,整个过程需要技术人员的丰富经验和大量劳动,以上述玩具汽车外壳为例,测量时间长达3~4h,数据拼合和整理需要半天时间,熟练技术人员需要3~7天才能完成模型重建过程。特别是在细部特征的处理上,有时候还需要将Imageware与Pro/E、UG的曲面建模和特征建模等相结合,才能重建出比较完全符合实物原型的模型。

参考文献

[1]单岩,谢斌飞.Imageware逆向造型应用实例[M].北京:清华大学出版社,2007.

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[4]孙文学.Imageware在逆向工程设计中的应用[J].现代制造工程,2005(8):56-57.

激光抄数 篇10

三维五轴激光切割机的运动主要包括X、Y、Z三个直线轴运动和C、A两个旋转轴运动。其中, X、Y、Z直线轴运动采用滚珠丝杠、齿轮齿条等方式进行传动, 与传统的二维激光切割机相同, 其机床制造的核心技术在于如何通过激光头旋转机构来实现C、A两个旋转轴的精确、快速运动。作为三维激光切割机的核心部件, 激光头旋转机构目前完全依赖进口, 价格相当昂贵, 例如某国外品牌的激光头旋转机构价格高达40~50万人民币, 可以说如果没有自主研发的激光头旋转机构, 三维激光切割机的自主研发就是一纸空谈。

针对上述问题, 本文对现有力矩电机驱动偏置式及一点指向式激光头旋转机构进行了分析比较, 并在此基础上创造性地设计了一种结构更加简化、性能更加优越的激光头旋转机构。

1 力矩电机驱动的偏置式激光头旋转机构

力矩电机驱动的偏置式激光头旋转机构如图1所示。该机构由连接座1、连接座2、固定座1、固定座2、反射镜座1、反射镜座2、两个力矩电机、激光头、反射镜以及聚焦镜组成。连接座1的上端通过法兰连接面与机床的X、Y、Z轴运动机构相连接, 下部的内圆柱面安装有力矩电机的定子。反射镜座1上端和右端分别设置有相互垂直的连接面, 其中上端连接面与固定座1的下端面相连接, 固定座上部的外圆柱面上安装有力矩电机的转子, 连接座1与固定座1构成一个转动副实现C轴旋转运动。反射镜座1的右端连接面与连接座2左边的连接面相连接, 连接座2的内圆柱面安装有力矩电机的定子。反射镜座2的左端和下端分别设置有相互垂直的连接面, 其中左端连接面与固定座2的右侧端面相连接, 连接座2的外圆柱面上安装有力矩电机的转子, 连接座2与固定座2构成另一个转动副实现A轴的运动。

力矩电机驱动的激光头旋转机构控制简单, 结构紧凑, 对局部切割能力强, 光路调整方便。但是该机构负载能力较弱, 精度不高, 动态响应速度慢, 当切割机进行五轴联动时, X、Y、Z轴运动的加速度惯性载荷容易超过扭矩电机的负载极限。

2 一点指向式激光头旋转机构

一点指向式激光头旋转机构如图2所示。该机构由连接座、C轴连接体、A轴连接体、激光头、聚焦镜以及反射镜片组成。连接座通过上端的法兰面与机床的X、Y、Z轴直线运动轴连接, 连接座下部的内圆柱面与C轴连接体上部的外圆柱面构成转动副实现C轴运动。C轴连接体下部与水平面呈45°的内圆柱面与A轴连接体的左侧的外圆柱面构成转动副实现A轴运动。

该机构最突出的优点是C、A轴在运动过程中加工点 (焦点) 的位置始终保持不变, 这对三维激光切割机示教功能的实现有很大帮助。但是一点指向式激光头旋转机构体积大, 在切割深孔时极易产生机械干涉;至少需要4块反射镜片, 能量损耗大, 镜片费用高, 调校复杂。

3 复合驱动的激光头旋转机构

针对以上问题, 本文设计了一种结构更加简化, 后续控制编程更加方便, 操控性更优越的三维激光切割机激光头旋转机构, 如图3所示。

该机构由连接座、固定座、反射镜座、双联齿轮、锥齿轮、激光头、聚焦镜、C轴电机、A轴电机以及反射镜组成。连接座通过上端的法兰与机床的X、Y、Z轴直线运动轴连接, C轴电机与A轴电机分别固定安装在连接座的两侧。固定座的上部的外圆柱面与连接座的内圆柱面构成转动副, 设置在固定座外圆柱面下方的齿轮与连接在C轴电机轴上的齿轮相啮合, 通过C轴电机的转动实现对C轴的驱动。双联齿轮的内圆柱面与固定座中部的外圆柱面构成转转动副, 上部设置的直齿与A轴电机轴上的齿轮啮合, 下部设置的锥形齿与锥齿轮啮合;锥齿轮的内圆柱面与固定座下部的外圆柱面构成转动副, 端面与反射镜座连接, A轴电机的旋转带动双联齿轮转动, 再通过锥形齿轮的啮合将运动传递到反射镜座, 进而实现了对A轴的驱动。

由图可知, A轴的运动是单独通过A轴电机的驱动来实现的, C轴的运动是通过C轴电机和A轴电机的复合运动实现的。两个驱动电机都位于旋转机构的上部, 偏置距离小, 下部结构更加简单、紧凑, 能够有效避免工作过程中管线缠绕的问题。机械啮合 (传动) 部分与光路传输部分完全隔离开, 从根本上解决了传动部件对光路的污染问题。该机构的传动部件都是最为简单的齿轮、锥齿轮、普通的伺服电机, 价格低廉, 负载能力强, 精度高, 动态响应速度快。

4 结论

本文对现有的激光头旋转机构技术方案作了介绍和比较, 创新地设计了一种复合驱动的激光头旋转机构。该机构构思巧妙, 结构简单, 精度高, 负载能力强, 动态响应速度高, 附加值高, 极具产业化价值。

参考文献

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今天的激光武器 篇11

激光的特性

激光也是光，但不是人们平常所见到的太阳光、电灯光……它是一种人为产生的可见的或不可见的特殊光，英文叫“Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation”，缩写词为“LASER”，意即物质原子或分子吸收光能，在释放能量时会发出激光。最初传到我国时译为“镭射”，后来钱学森将其命名为“激光”。

与普通光相比，激光具有方向性好、单色性高、亮度高等特点，各种激光武器正是基于这些特点的应用。

阳光、灯光等普通光是射向四面八方的，根本谈不上方向性。激光束借助光学发射系统，α角可以小到几乎是零，接近于平行光束。这样在某个方向上光能量就能集中，可以射得很远。如借助红宝石激光发射系统，在几千千米外接收到的光斑张角只有一个茶杯口大小，就是照到月球上，光斑直径也不过2千米大小。而普通光方向性最好的探照灯，假定光强度足够大，照到月球上的光斑直径至少6000千米，可以覆盖整个月球。

大家知道，太阳光是白色的可见光，是由“红、橙、黄、绿、青、蓝、紫”7种颜色光的混合，世界上的景色五彩缤纷，也是由这7种颜色组成的。太阳光包含着所有可见光的波长。一种光所包含的波长范围越小，它的颜色就越纯，看起来就越鲜艳，我们把这种现象称之为单色性高。把一段小于几埃(1埃=10(sup)-10(/sup)米)波长范围的光称为单色光。激光的波长范围比千万分之一埃还要小，最小的已经达到一千亿分之几埃，成为世界上颜色最纯、色彩最鲜艳的光。

激光是现代最亮的光源，迄今为止，唯有氢弹爆炸瞬间的强烈闪光，才能与之相比。一台巨型．脉冲固体激光器的亮度可以比太阳表面亮度高1010倍。光能可以产生热能，只要汇聚中等亮度的激光束，就可以产生几千度甚至几万度的高温。极强的亮度和极高的能量双管齐下，能穿透和融化各种坚固的金属和非金属材料。

武器家族

1．激光轻武器

激光致盲武器、激光枪等统称为激光轻武器，也叫低能量激光武器或单兵激光武器。它所发射的激光能量，一般都不太强，主要用于攻击人员眼睛，使之失明、死亡或使其军服着火而丧失战斗力，同时也可以攻击激光或红外测距仪、各种类型的夜视器材等武器装备上的光学、光电装置的传感器等，使其对光产生敏感的元器件损伤、失灵。

美国在1964年研制成功第一支激光枪，由于光的速度达到每秒30万公里，激光枪能实现真正意义上的指哪打哪，不需要提前量，也不需要带子弹和弹盒，无后坐力，无声响，隐蔽性强并便于携带，作战效能大大提高。

2．激光炮

激光炮是用能量密度极高的激光直接击毁目标的光束式武器，它借助于激光的热能直接摧毁目标，简称为光炮。它根据用途分为强激光战略武器和强激光战术武器。它们均是大型的或高效率的激光装置，能发射极高的激光能量。

激光炮主要由高能激光器、精密瞄准跟踪系统和光束控制与发射系统组成。激光炮是靠激光束直接击中目标并停留一定时间而造成破坏的，所以对瞄准跟踪的速度和精度要求很高。由于激光被聚焦后不到半秒钟就能将焦点处的碳块加热到摄氏8000度以上，这个温度足以使任何高熔点的金属或坚硬材料气化。而且激光的传输速度快，射击1万公里远的目标也只需1／30秒，再也不用为那曲线飞行的弹头与目标之间的相对运动而伤脑筋。

经过多年的研制和试验，强激光武器已经可以通过破坏光电装置、毁伤壳体等方式，拦击精确制导的导弹和飞机等来袭目标，还可以通过干扰、破坏卫星上的光电设备或摧毁平台，使敌方的卫星失效。

3．激光制导武器

激光制导武器主要包括激光制导导弹、激光制导炸弹和激光制导炮弹。利用激光的高方向性，控制和导引武器准确到达目标，这就是激光制导，这如同给这些武器安上了激光“眼睛”，使它们有极强的抗电磁干扰能力，命中率极高。激光制导武器与激光武器是有区别的，激光制导武器攻击目标是依靠炸弹、炮弹和导弹的爆炸威力，激光只是用来进行制导。它不像激光武器那样用纯激光束攻击目标，利用的是激光的高能量特点。

激光制导炸弹最早出现在1961年，是由美国“红石”兵工厂研制的“宝石路”，也称作“铺路”型，在随后的越南战争中就派上了用场。在著名的清化大桥保卫战中，美军仅出动两架F-4战斗机，投掷了3枚“宝石路”就炸毁了这座令美军十分恼火的“伤心桥”。从此，激光制导炸弹名声大噪，赢得了“灵巧炸弹”的美誉。

继“灵巧炸弹”出现之后，70年代又研制出了激光制导导弹。与激光制导炸弹不同，激光制导导弹有自己的动力装置，可主动飞行，有更强的主动性，射程更远，命中精度更高。目前，激光制导的空地导弹命中精度已达l米。美军现已装备12个型号的激光制导导弹，如“幼畜”、“陶”、 “龙”、“痛击”、“地狱火”、“海尔法”等。英国、瑞典、法国也相继研制成功了激光制导导弹。

4．激光侦察装备

水下侦察：水下侦察一直是侦察工作的难点，因为短波不能穿透海水，超长波有一定的穿透能力，但也只有几十米。激光中的蓝绿激光有很强的穿透能力，可以穿透300米深的海水，将这种激光器安放至飞机、卫星上就可以大范围地搜捕敌方的潜艇、水下军事设施，也可以探测水雷、水下障碍物、敌军的海港水下地形等。

激光窃听：声音在空气等媒介中向外传播过程中形成声波。当声波撞到固体物质时，又会激发这些物质产生一定幅度的振动，只不过这种振动大小不同。物体越薄，振动的幅度越大。日常生活中，经常可以看到声波能够引起窗户上的玻璃产生振动的情况。人只要一说话，就会发出大小不一、声调不同的声音。室内开会时或打电话所发出的声波，也会引起办公室、会议室的玻璃发生同步振动。用激光发射机发射出不可见的激光照射在要窃听的房间玻璃上，玻璃的振动就会带动激光一起振动，当激光反射回来时，形成了带有语音振动的激光，即把声音的信息也一并带了回来。激光接收机就可以接收到载有声波的反射激光，经过特殊的设备进行处理后，就能把激光束中带着的声音信息分检出来，再把它还原成原来说活的声音，达到窃听的目的。

激光雷达：雷达的发展在经历了短波、超短波和微波的阶段后，在无线电领域的潜力已经发展到了尽头，但仍然满足不了军事上对高精度、高分辨率的要求。科学家就把目光转向了激光领域。雷达的分辨率和与其使用的频率有着密切的关系。频率越高，分辨率就越高，雷达的识别能力也就越强，微波雷达只能发现高大的建筑物、飞机等目标，而激光雷达则可以识别电线杆、空中天线等细小的点状、现状目标。由于激光方向性好，能量集中，激光雷达的探测距离更远，而且激光不受地面杂波干扰，不会产生微波雷达那样的盲区。

激光武器的发展将推动战争的演变。以部署在卫星、宇宙飞船、空间站等航天器上的天基激光武器为代表的各类激光武器，将在陆地、海洋、空中、太空大显神通，使敌人飞机坠毁、导弹失控、舰船沉没、卫星报废、车辆爆炸、人员伤亡……曾经硝烟弥漫的战场将变成“光芒四射”的战场，现代战争将进入一个崭新的阶段。人类千百年来梦寐以求的光武器时代已经到来。

激光抄数 篇12

双包层泵浦光纤激光器具有电光转换效率高、体积小、寿命长、光束质量好等优点,在光通信、高精度激光加工、激光医疗以及军事等领域有着广泛的应用。泵浦源是光纤激光器重要的组成结构,为光信号的放大提供能量。泵浦源性能对光纤激光器影响很大,例如泵浦效率、泵浦光带宽、泵浦源的寿命、尺寸和价格等都直接影响最终器件的性能[1]。与其他激光光源相比,半导体激光器作为泵浦源有很多优点:电-光转换效率高、输出激光波段范围广、使用寿命长、可靠性高、体积小、质量轻、价格便宜、耗电省、具有直接调制能力等。光纤激光器泵浦源一般是大功率的半导体激光器,要求驱动电源能输出足够大的电流。同时半导体激光器是靠注入电流而工作的,是一种电流敏感器件,驱动电流的很小波动不仅会产生激光强度噪声,还会使输出激光的波长谱展宽,同时静电、高压、浪涌电流以及电网冲击等都会使半导体激光器半导体激光器性能恶化,寿命减短,甚至造成永久性损坏。因此设计一种大功率、高稳定度、性能可高的驱动电源是十分必要的。

目前,在国外,对半导体激光器驱动源的研究已经取得了不错的成果,特别是德国、英国、日本等国家,半导体激光器驱动源的研究技术已经非常成熟,达到了很高的水平,并且实现了商品化,但其价格比较昂贵[2]。在国内,小功率的半导体激光器驱动电源已有成熟的商品,高重复频率、大功率、窄脉冲驱动电源发展不成熟,有些技术指标难以达到要求,因此对半导体激光器驱动电源继续进行研究,不断完善其性能指标,有十分重要的意义。

1 系统整体结构

驱动电源的整体结构如图1所示,上位机对泵浦半导体激光器的工作电流和安限电流进行设置,通过RS232通信传输到单片机,单片机89C52RC进行处理,再由DAC转换成对应的模拟量,这一模拟量分别作为控恒流源的基准电压和安限控制电压。取样电路对输出电流实时取样,采样电压送到集成运放的反相输入端,构成一负反馈网络,输出电流由硬件进行闭环控制,保证恒流输出。同时,采样电压经ADC转换后输入单片机,与预设电压比较,通过内部的PID算法子程序来调整预设电压,从而形成了软件闭环控制。硬件和软件的双重闭环控制大大提高了输出电流的精确度。采样数据进行存储、上传,由上位机对电流进行显示。采样电流大小接近安限电流时,单片机控制蜂鸣器发出报警。

2 硬件电路

2.1 恒流电路

恒流源电路如图2所示,预置信号由单片机控制D/A产生,送入运放的同相输入端,控制MOS管的导通程度,输出相应的电流。输出电流被取样后产生取样电压,送入运放的反相输入端,与同相输入端的电压进行比较,负反馈闭环控制实现恒流输出,并且输出电流Id与控制输入电压之间是线性的关系。假设运放是理想的,简单分析可得:

可见,理想情况下输出的电流与输入电压是线性关系,并且电流是稳定的。但是由于元器件的不稳定性,输出电流会有波动。电流的稳定性受基准电压Vr、取样电阻Rs和反馈网络R1和R2的影响。对Io全微分得:

式中a1、a2、a3、a4分别表示基准电压、取样电阻、负反馈网络中R1和R2对电流稳定性的影响。根据电阻实际取值,a1和a2的值远大于a3和a4,所以输出电流的稳定性主要取决于取样电阻Rs的温漂和基准电压的稳定性。增加Rs的值可以减小取样电阻温漂带来的影响,阻值增加会使采样电阻的功耗急剧增加,所以取样电阻Rs选用光颉电阻TR35(50mΩ,±50 PPM/℃,精度为±0.5%)。调整管选用大功率MOS管IRL7833,其连续漏极电流最大值可达150A,RDS(on)最大值为44mΩ,开启电压VGS(th)最大值为2.3V,漏极和源极之间最大电压VDS为30V。和半导体激光器并联的二极管用于吸收反向电流,防止半导体激光器被反向击穿。

2.2 保护电路

在正常的工作环境之下,半导体激光器寿命能达数十万乃至百万小时,但不适当的工作环节会造成半导体激光器性能恶化,寿命减短。统计表明,半导体激光器突然失效,有一半以上的几率是由于浪涌击穿[3]。为光纤激光器泵浦的半导体激光器为大功率半导体激光器,价格相对较高,因此非常有必要设计保护电路。

设计了软件限流保护电路和硬件保护电路。取样电流送入单片机,由单片机判断是否超过安限电流,若超过,单片机立刻使设置的工作电流置零,同时报警。硬件限流保护电路如图3所示。若采样电流在安限范围内,MOS管工作在全导通状态;超过安限电流,MOS管工作在截止状态,关断流过电流,以防止过大的电流损害半导体激光器。

对半导体激光器的延时软启动保护是通过单片机软件实现的,这样可以简化硬件电路,也可以减小外界干扰对电路的影响。当上电时,单片机输出一启动控制信号,使高速开关Q1(图2所示)处于导通状态,这时输入电压被置零,延时2.5s后启动控制信号由高电平逐渐变为零,开关管Q1缓缓关断,输入的电压从0软起到预设值,整个过程为4.5s。

3 软件设计

系统软件主程序流程如图4所示,上电后复位,进行初始化,然后调显示子程序,用于显示安限电流和实际输出电流的大小。外部中断0和外部中断1分别对应安限电流设置按钮和输出电流设置按钮,按键扫描子程序用来判断是否有按键按下。若无键按下,则循环调用显示程序;若有键按下,则调相应的按键功能程序,计算出相应的电流值大小,然后调用显示子程序。对输出电流的PID算法软件闭环控制子程序如图5所示。当采样电流和设置电流的偏差大于10m A时,采用PD算法,这样可以加快响应时间,快速跟踪设定值;当偏差值小于10mA时,采用PID算法,消除控制误差,减小震荡;当偏差小于1mA时,保持不变,防止系统震荡,增强系统的稳定性。

4 试验结果及分析

电流稳定性是本电源的一个最重要指标。试验中用0.5Ω/200W电阻作为模拟负载,用数字电压表测量模拟负载两端电压,选择输出电流为1A时进行测试,测试时对模拟负载进行散热,把温漂的影响降到最低,测试数据曲线如图6所示。

稳定度=1.366×10-4,稳定度较高,符合设计要求。

给图2中Q1加入频率为1k的开关控制信号时,电源工作在脉冲状态下,模拟负载两端的电压波形如图7所示:电流没有过冲,上升时间为14.854μs,下降时间为1.777μs,速度较快,符合要求。

5 结论

所设计的半导体激光器驱动电路有过流、软启动、抗击浪涌保护功能,基于PID算法的内部软件闭环控制与外部硬件电路负反馈闭环控制的设计,大大提高了系统的稳定性。同时以单片机为主控芯片,实现了恒流源数控、数采和电流实时显示功能。本电源可以为用于泵浦光纤激光器的激光二极管注入恒定的工作电流。

摘要：报道一种为光纤激光器泵浦的半导体激光器驱动电源。采用大功率MOS管IRL7833为调整管,利用集成运放的深度负反馈工作状态实现恒流输出。采用单片机AT89C51实现PID算法进行软件闭环控制,以缩短系统的动态平衡时间,进一步提高系统的稳定性。给出了限流、延时软启动保护电路。经实验验证,系统稳定度高、实时性好,可以用于光纤激光器泵浦。

关键词：光纤激光器,恒流源,半导体激光器,泵浦

参考文献

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