激光功率（共7篇）
激光功率 篇1
研究人员用低功率激光刺激牙齿,然后在牙齿上装上临时的牙套。12个星期后,经过治疗的牙齿产生牙本质的能力得到提升。
激光常被医生用来破坏组织,制造微小的手术切口,清除蜘蛛状血管,以及清除体毛。最近,研究人员证明了低功率的激光可以用来实现相反的目的:让缺失的组织再生。
在一项最新的研究中,研究人员正在利用激光刺激老鼠牙齿内的干细胞,有朝一日,这或许会成为一个简单的治疗方法,替代痛苦的根管疗法。
更重要的是,研究人员表示它还有其他的用途,也许还能刺激伤口愈合和骨头再生。
该研究的第一作者帕尔文·阿让尼(Parveen Arany)表示,低功率激光可以刺激一些生化过程。阿让尼是一名牙医,也是美国国立卫生研究院的研究员,他在哈佛大学维斯研究所的戴维·慕尼(David Mooney)的实验室期间,领导了这项研究。
他表示,之前利用低功率激光进行的研究,不都能取得引人瞩目的疗效。
阿让尼和他的同事们在老鼠的臼齿上钻孔,将牙齿内部包含干细胞的牙髓暴露出来。他们用低功率激光刺激牙齿,然后在牙齿上装上临时的牙套。12个星期后,经过治疗的牙齿产生牙本质(类似骨头的组织,是牙齿的主要成分之一)的能力得到了提升。
通常当牙齿中的牙本质腐烂暴露出牙髓时,就需要进行根管治疗来修补,即挖出牙髓,并用惰性材料替换牙髓,以及外部的牙齿。
而这项研究提高了避免根管疗法的可能性,只要刺激身体自身的干细胞使部分牙齿再生。
不幸的是,和制造牙本质的细胞不同,能使外部牙釉质再生的细胞在童年时代就已经失去了,不过,阿让尼表示他的团队正在研究使牙齿的其他组织再生。
研究人员研究了为什么激光会有这样的功效。他们发现,激光会产生一种名为活性氧簇的化学物质,其能够激活剧本可以刺激生长功能的转化生长因子-β。
研究表明了“如何利用物理形式的能量诱导生物反应”,不过,转化生长因子-β也有可能对组织造成损害,所以必须找到能引起有益反应的合适的剂量,这也解释了为什么之前的结果有好有坏。
科学家们研究了几种不同的诱导干细胞,以分化出特定组织的细胞,从而替代组织,或者让组织再生,这一过程往往涉及获取和操控细胞,并且把它们暴露在能促进分化的分子中。
然而,用激光来刺激细胞,让它们自己产生这样的分子,再分化成特定的组织,这一过程会容易得多,同时其所面临的政策监管障碍也少得多。
阿让尼表示,由于转化生长因子-β可以促进生长和分化,激光也可以被运用在其他地方。
“这是一个非侵害性的技术,这正是其吸引人的地方”,伊利诺伊大学芝加哥牙医分校的牙齿再生研究员安妮·乔治(AnneGeorge)表示。“这种技术很容易进行临床试验。”
阿让尼表示,他的团队正计划在人类身上测试这种疗法。
来源:MIT科技评论
大气激光通信链路功率分析研究 篇2
但是激光通信受环境条件制约, 通信中必须满足通视条件, 且光在大气中传输, 大气引起的光强闪烁、光强衰减等都对光通信产生较大影响。因此, 对通信链路的光功率计算是十分必要的。
激光在大气中传输, 受大气的影响较大, 强度衰减很快。这主要是由于大气中的各种气体和其他悬浮粒子的散射和吸收造成的, 在传输过程中还受大气湍流的影响, 引起光强闪烁、光束漂移、抖动等现象。对于能量较大的强激光, 还会出现热晕效应、大气击穿和受激拉曼散射效应。
本文以一种野=战用激=光通-6信光端机的参数为计算模型, 对大气信道下通信链路的光功率进行分析计算。激光通信既是信息传递系统, 又是能量传递系统[2]。对系统中的圆形光斑, 大气激光通信链路传输方程可简单描述为:
其中, rP为光端机接收功率, tP为发射功率, rD=43 mm为小口径接收光学天线孔径, θ2=1.8 mrad为激光发射光束束散角, α为大气衰减系数 (NP/Km) , ηr、tη为接收、发射光学系统透过率, L=10 km为传输距离。各分量如下:
(1) 发射功率:tP=100m W;
(2) 发射、接收光学系统透过率分别为:ηt=0.8, ηr=0.8;
(4) 大气衰减损耗。
激光在大气中传输, 受大气的影响较大, 强度衰减很快。这主要是由于大气中的各种气体和其他悬浮粒子的散射和吸收造成的, 在传输过程中还受大气湍流的影响, 引起光强闪烁、光束漂移、抖动等现象。对于能量较大的强激光, 还会出现热晕效应、大气击穿和受激拉曼散射效应。
大气中, 造成光的散射的粒子的大小各不相同, 从10-4uumm到10um, 对光的散射存在一定的随机性, 因此不同大小粒子造成的散射对光的影响的分析方法也不相同[3]。按粒子大小分类, 对粒子半径r≤0.3umum的粒子, 可由瑞利定律分析, 称为Rayleigh散射;当r>0.3umu m时, 适用米氏定律, 称为Mie散射。
(1) Rayleigh散射。
对粒子尺寸较小, 粒子半径r, 时, 产生Rayleigh散射, N为单位体积内粒子数, 其散射系数为[4]:
n为折射率, λ为波长, 一般理想大气条件下, Rayleigh散射系数:
可以看出, Rayleigh散射的一个最大特点是散射强度和波长的四次方成反比, Rayleigh散射的散射系数可表示为:
其中, n为大气折射率, N为单位体积内的分子个数, λ为入射光波的波长, δ为散射的退偏振因子, 通常为0.035。
(2) Mie米氏散射。
Mie散射理论即球体粒子的光散射理论, 在大气近地面的散射一般都为Mie散射, 造成Mie散射的悬浮粒子直径和波长相当, 主要由大气气溶胶粒子引起, 且其散射强度要比Rayleigh散射强的多。目前常用的Henyey-Greenstein相函数[5]:
θs为散射角, g是cosθs的平均值cosθs。此函数的好处在于函数相对简单, 能较好描述Mie散射前向散射的特点。
这里根据各影响的参数, 依据传输时具体情况, 对大气衰减损耗进行计算, 激光传输中大气造成衰减的衰减系数为α=αm+αa+βm+βa, 其中mα为大气分子吸收系数, αa为悬浮微粒的吸收系数, βm为气体分子散射系数, βa为悬浮微粒的散射系数, 对于本实验通信环境, 主要衰减是Mie散射。
α的经验公式为:其中V为能见度 (K m) , λ为激光波长 (nm) , q值根据可见度不同选取如下:
实验中, Pt=100mw;λ=808nm;ηr=0.5;ηt=0.8;θ=1.8 mrad;L=10 km;Dr=43 mm;ηf=0.5。计算结果如表1所示。
由表1可知, 实际接收功率大于探测器灵敏度, 传输距离10 km时, 系统仍可正常进行正常工作。对系统的正常工作性进行了验证。
本文针对一种实际野战激光通信用光端机的参数为模型, 对大气激光通信链路功率进行了计算, 作为一种简单模型的功率计算, 可以对系统的合理性和光端机关键器件的选择都用很大的指导意义。
摘要：在现代激光通信传输中, 大气对光传输过程中的衰减和起伏影响, 已严重影响了激光通信的发展。为提高通信距离、速率和通信质量, 抑制大气对激光通信的不利影响是十分重要的。本文针对野战激光通信环境, 对激光在大气中的传输模型进行通信链路功率计算, 对大气对光功率的衰减和损耗进行了分析, 为实际大气激光通信的应用提供一定的理论依据。
关键词：大气激光通信,大气衰减,通信链路功率
参考文献
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高功率半导体激光器模拟 篇3
半导体激光器出现于上个世纪五十年代[1,2], 随着材料与器件的各种新技术的不断发展, 它的波长覆盖范围已达到从红外到紫外、输出功率也从低温毫瓦量级的脉冲输出到阵列的千瓦量级的室温连续输出, 它的应用已经遍及了包括航天、制造业及科研等许多领域, 并成为许多应用系统的关键器件, 因而它的可靠性和寿命往往决定了整个应用系统的可靠性。而随着其输出功率的不断提高, 激光器的可靠性会下降, 寿命会减短[3]。对半导体激光器的质量、可靠性进行准确评估和筛选不仅可以确保整个应用系统的可靠性, 同时也可以帮助改进其生产工艺、提高产品的制造水平。
20世纪90年代, 本课题组提出一种新方法即电导数测试技术来筛选半导体激光器的质量和可靠性的, 这种方法主要是通过测试半导体激光器的I-V、P-V, 再进行相应的数据处理以得到在激射阈值处的节电压饱和情况及一些相关参数、通过相关参数的值对激光器包括结特性、漏电通道、载流子限制、欧姆接触情况等与器件质量密切相关的因素进行分析, 从而实行对器件质量和可靠性进行评估和筛选[4,5,6]。通过电导数技术筛选和评估半导体激光器件具有便捷、无损、快速的特点。在我们从前对大量中小功率器件进行的电导数测试中, 我们发现某些或全部电导数参数差的器件一定可靠性差, 因此电导数方法的有效性也得以证明[4,5,6]。然而随着导数技术在新型的高功率半导体激光器中的应用, 我们发现尚有部分可靠性差的半导体激光器不能被导数技术所筛选, 因此有必要借助数学工具进行器件电导数模拟以分析不同缺陷情况对电导数参数的影响, 以达到指导和完善该方法的目的, 也为该方法在高功率阵列半导体激光器上的应用打下坚实的基础。
1 原理和模拟
高功率双异质结半导体激光器的等效电路图如图1, 从工作原理上说要同时满足三个限制, 即载流子限制, 电流限制和光限制[7,8]。
图1中理想二极管D1、稳压二极管DZ并联后与线性电阻R1串联构成激光器主支路, 其中稳压二极管DZ用以表征当注入电流大于管芯阈值电流时发生的结电压饱和现象[91], 结电压饱和阈值用Vjth表示。理想二极管D2与电阻R2串联构成激光器并联非线性泄漏支路, 电阻R3代表并联线性泄漏支路。理想二极管D1、D2的结特征参量分别为m1和m2, 结反向饱和电流分别为Is1、Is2。
2 计算条件和结果
我们希望通过模拟计算研究高功率半导体激光器电导数参数与其器件质量和可靠性之间的关系, 对模型中各器件的取值以经验值为主, 首先取Is1=Is2=10-9A, Vjth=1V, R1=1Ω, R2=10Ω, R3=100Ω, m1=m2=2进行模拟, 典型单管激光器的曲线如图2。因此考虑实际情况下那些对器件质量和可靠性有不良影响的因素发生时、模型中对应的某输入值发生相应改变时, 其电导数参数的变化情况。
通常激光器反向饱和电流与温度和有源区载流子浓度有关, 当温度升高时, 反向饱和电流以指数函数增加, 因此高功率半导体激光器可能由于欧姆接触或外延质量的缺陷造成局部的工作温度差异, 因而出现反向饱和电流的差异。表1是Is1不同的单管No.a1~a10的电导数参数计算结果, Is1变量的取值在表中, 而其它参数取如上典型, 其各电导数参数值随Is1变化的情况如图3。
从图中可以看出, 当Is1由5×10-10A线性变大到1.4×10-9A时, m、h、F值趋于减小, 而Rs1、Ith和b值则趋向于增大, 其中m、h、F、Ith值明显增大, 而Rs1和b值变化较小。
外延质量、杂质复合中心浓度和结的完整性不好会所造成m1参数的变化, 表2是改变输入参数m1的器件No.b1~b10的电导数参数计算结果, m1变量的取值在表中, 各电导数参数值随m1变化的情况如图4。
从图中可以看出, 随着m1的增大激光器的m值明显增大, h、F值也明显变大, b值在约2~3m V的范围略变小, Ith减小明显, Rs1从接近0.9欧姆减小到0.81欧姆, Rs2基本不变。
激光器的欧姆接触情况及包括限制层和源区的体电阻直接与R1的值大小相关, 表3是不同R1的单管No.c1~c10的电导数参数计算结果, R1变量的取值在表中, 而其它参数取值为Is1=Is2=10-9A, Vjth=1V, R2=10Ω, R3=100Ω, m1=m2=2, 其各电导数参数值随m1变化的情况如图5。
从图5中可以看出, 随着R1的增大h值减小, 但从数值上看减小的值不很大, 和上面两个参数改变时不同, 这里的Ith、Rs1、Rs2、b、F都随的增大而几乎线性增加, 但增加的b、Ith、F、的绝对数值都不大, 只有Rs1、Rs2变化很明显同时从由0.72增加到1.12, 最特别的当属m, 我们发现R1=R2时、m有最大值2.213, 而m的值总的来说变化很小。
半导体激光器的材料体系的能带结构是结电压饱和点的主要决定因素, 它会影响阈值电流密度, 表4是不同Vjth的单管No.d1~d10的电导数参数计算结果, 其各电导数参数值随m1变化的情况如图6。
从图中可以看出随着结的阈值电压Vjth的升高Ith变大, Rs1、b略变大, m值变小, Rs2几乎不变, F值不变。Vjth对器件的电导数参数所造成的影响与Is1、m1、R1这几个参数相比是最小的。
3 结论
从上面的模拟结果来看, 电导数测试的各参数值大小对外延质量及结的载流子限制情况及欧姆接触情况的反映较为明显, 若m、h的值较小、而Ith、Rs1、Rs2、b、F值较大说明外延质量及结的特性不好, 同时欧姆接触情况也不好, 若Rs1、Rs2较大、而h较小、b、Ith、F的值没有明显变化说明器件的欧姆接触质量不好而结特性正常, 若Rs1、Rs2较正常, 而h较小、F、b、Ith值较大说明器件的欧姆接触质量正常而结特性不好。这和我们以前的导数测试与老化结果是基本吻合的, 可以通过电导数技术得出的相关参数对器件可靠性进行筛选评价。
参考文献
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小功率高稳定半导体激光电源 篇4
半导体激光器(Laser Device,LD)以其小型高效结构简单、价格便宜等优点,在光信息存贮、光通讯等方面得到越来越广泛的应用。激光器的运行质量与其驱动电源的性能密切相关,温度、电流的起伏会引起光功率的变化,影响输出的稳定。最初的半导体激光器采用直流线性电源和RC充电电路,这种电源效率不高,体积和重量较大[1,2]。为减小电源的体积和重量并提高电源性能,具有低功耗、高速度、高可靠性等优点的开关电源技术[3]被广泛应用到激光电源中。利用专用的驱动芯片和微处理器控制技术能有效地提高激光电源的性价比,简化激光电源的硬件结构,增强整机的自动化程度,为整机功能的扩展提供有利的条件。随着半导体激光器与电子技术的发展,有关LD驱动电源性能的研究越来越受到人们的重视,专用电源驱动芯片不断出现,数字化控制技术逐步得到应用,性能优异的驱动电源为半导体激光器技术的发展提供了必要条件。
2 驱动电源硬件组成
驱动电源由供电电源、恒流源驱动芯片、温度控制、过流过压保护、微处理器、人机接口等部分组成。供电电源实现系统供电电压(交流220 V)与系统工作电压之间的转换,电路中采用多重滤波技术,切断电磁干扰沿信号线或电源线传播的路径,有选择地衰减信号中不需要的频率成分,提高了电源的稳定性。温度、电流与电压的检测装置用于实时检测激光器的状态量,将检测结果反馈给CPU。CPU经过一定的算法后将输出信号经放大电路后再送到恒流源驱动芯片(HY6340)的反馈引脚,来达到激光器状态量的自动调节。保护电路可以减小半导体激光器在实际运用中受到的外界影响,增强系统的可靠性。利用恒流源驱动芯片HY6340及其过温保护是该驱动电源的特色所在,下面着重予以介绍。
2.1 恒流源驱动芯片HY6340及其应用
恒流源芯片HY6340作为驱动电源的核心部分,可以工作在连续和脉冲两种模式下。在连续模式下,输出电流从0～1.5 A连续可调,输出纹波很小;在脉冲模式下,可选择输出方波、正弦波和三角波(或锯齿波)三种波形,重复频率在0～3 MHz范围内,占空比在12%～87%可调,同时直流偏置和脉冲幅度也可以独立调整,满足了多数小功率LD所要求的分辨率、稳定性和噪声性能,具有一定的通用性。
芯片采用9～14 V负电压供电,芯片供电电压VEE的稳定性对输出恒流信号的质量起着十分重要的作用,为此我们采用了多重滤波技术,将VEE的纹波控制在1 mV以下[4],从而保证了芯片的输出端输出电流的高度稳定。芯片8脚输出一个相对于VEE的十分稳定的+5 V参考电平VREF;调节1脚、5脚和6脚到VEE之间的电压可以分别设定高温保护阈值、低温保护阈值及过流保护阈值用于为不同功率的激光器提供保护(报警功能),过温报警和过流报警信号分别从2脚和17脚输出;7脚为使能输入端,当输入为VEE时禁止电流输出,接GND时输出被使能;22脚为反馈信号输入端,来自PD的反馈信号可以使LD工作在恒光功率模式下。21脚为电流调制端,调节21脚到VEE的电压可以使电源输出电流从0～1.5 A连续变化,当外接调制信号时可得到需要的各种电流波形。利用上述特性设计了以HY6340为核心的驱动电源,HY6340及其外围电路如图1所示。
2.2 过温保护
半导体激光电源要求有严格的故障保护机制以使昂贵的LD阵列免受损伤,保护电路是整个电源的核心部分,有过温保护、过流保护、欠压保护、过压保护等组成。除过温保护电路外,其他保护电路比较简单,CPU通过不断的检测系统的电流、电压信号来控制供电电源的运行,起到相应的保护功能。
LD的许多参数都与他的结温有密切的关系,当结温升高时LD的禁带宽度变窄,导致激发波长向长波方向移动[5,6],LD工作的阈值电流也会随温度的升高而增加。如果没有有效的温控系统,在恒定的电流注入下,当LD温度发生变化时,输出光功率将会有较大的起伏。工作温度还会影响LD的寿命,LD壳温每升高30 ℃,其使用寿命约要减少一个数量级,通常LD的温度变化应控制在0.05 ℃以内[7],才能保证在用电流调制LD时,温度的影响不会造成严重的后果。
以往,对于中小功率的LD常采用简单的被动散热或者水冷的方法。这两种方法效果都不太好且都无法达到更进一步的温度控制的目的,即无法设定系统工作在某一特定的温度范围下,而半导体制冷器(TEC)作为温控元件具有较好的控制效果。根据泊尔帖(Peltier)效应,通过控制流过半导体制冷器电流的方向和大小,就可以对LD进行加热或者制冷,从而可以设定LD的工作温度并使其保持恒温,控制精度可达到0.05 ℃。电路原理图如图2所示。
3 电源的输出特性
电源输出电流值0～1.5 A,工作温度控制精度0.05 ℃,输出电流、工作温度的设定值可方便地连续调节。对一只1 W的半导体激光器,调节注入电流为其阈值电流2倍的情况下连续开关100次,激光器工作正常,输出功率稳定。在连续模式下,外接一个10 Ω的大功率可变电阻充当该电源的负载,设置输出电流0.5 A,改变负载电阻值测输出特性数据,如图3所示。
实验证明,电源能够对LD实施有效的保护,且在某一温度值下电源能够实现恒定的电流输出,输出电流稳定度优于1 mA。
4 结 语
采用恒流源驱动芯片HY6340作为驱动电源的核心部件,通过HY5650对半导体制冷器进行控制,可方便地实现LD的恒温工作,各种保护机制可以对LD实时监控,有效地抑制了电源的各种冲击,保证了LD工作的稳定性。其独特的设计与完善的保护使整个电源系统结构简单,成本低廉,性能优异,拥有广阔的市场前景。
参考文献
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激光功率 篇5
关键词：FPGA,激光器,电位器,高温报警,定时控制
1 系统总体设计
1.1 控制原理
激光功率由数字电位器DS1867的输出电阻决定, DS1867数字电位器的输出电阻由公式 (1) 得出:
式 (1) 中的RW为滑臂电阻及内部电位器电子开关电阻, 通常RW≤100Ω, 典型值为40Ω。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。本设计把功率等级分成10级, 则输入数字量D的值如表1所示, 可通过查表实现。
功率由公式 (2) 得出:
式 (2) 中的U为激光器的电压, R为DS1867数字电位器的输出电阻, 由公式 (1) 得出。
1.2 系统功能
系统通过键盘和FPGA对数字电位器的输出电阻的控制来改变激光的输出功率, 利用数字温度传感器进行温度的采集, 用FPGA来实现对温度数据的处理, 当温度超限时进行报警, 同时利用显示装置将信息显示出来。
系统的设计框图
系统的结构框图如图1所示:
2系统的硬件介绍
2.1 FPGA的选型
该设计所选用的FPGA器件是Altera公司生产的Cyclone系列器件。Cyclone系列器件采用一种全新的低成本架构可实现NiosⅡ嵌入式处理器。通过向NiosⅡ处理器指令集中增加定制指令可以加速软件算法。支持一系列串行总线接口, 如SPI、I2C、IEEE1394标准和通用串行总线 (USB) 。支持多种通信协议, 如表2所示。
2.2传感器选型
该系统选用DS18B20数字温度计对温度进行测量。数字温度计DS18B20是采用1-wire总线接口的数字温度计, 测量温度范围为-55℃—+125℃, 精度可达0.0675℃, 最大转换时间为200ms。1-wire总线支持主从式结构, 硬件上需外接上拉电阻。当一方完成数据通讯需要释放数据总线时, 只需将总线置高电平即可;如需要获取总线进行通信则要监视总线是否空闲, 若空闲, 则置低电平获取总线控制权。
2.3数字电位器
该系统选用的数字电位器为DS1867。DS1867包含两个256等级输出地电位器, 电阻可调范围为0～10kΨ, 占用I/O口少, 内含E2PROM, 电位器设置在掉电后能自动保护。
2.4液晶显示屏
该系统采用较先进的有机电致发光器件 (Organic Light Emitting Device。OLED) SSD1303T6对结果进行显示, 形象直观。OLED相对于液晶显示器LCD来说, 其主要优势在于驱动电压低, 功耗小, 主动发光, 平板超薄, 响应速度快, 工艺相对简单等。SSD1303是晶门公司采用TAB封装的单色OLED模组。这种基于CMOS工艺的驱动IC集成了行、列驱动器、控制器和SRAM, 可支持的最大分辨率为132×64, 可以显示4色区域色, 并可编程实现256灰度, 可实现水平滚动显示。
2.5键盘
在时钟控制下循环扫描键盘, 根据列扫描信号和对应键盘相应信号确定键盘按键位置。用户通过4×4矩阵键盘, 配合液晶显示器进行交互。
3系统的模块设计
系统上电之后先对整个系统进行复位操作, 使各个相关器件归为初始状态。
3.1分频模块
分频模块的作用是产生不同频率的时钟信号, 为不同的模块提供所需的时钟脉冲。分频模块的电路符号如图2所示:
3.2温度测量模块
温度测量模块是与DS18B20的接口, 用来控制DS18B20的操作, 并获取数字温度值。此模块的电路符号如图3所示, 其中, clk 1MHz是由系统时钟信号20MHz分频得到的1MHz的同步信号;dq与DS18B20的双向接口Temp[9..0]是数字温度输出值;d端口用来向DS18B20输出控制信号;cont为三态门的使能信号当d向dq输出控制命令时, cont=1使能, 当dq向FPGA返回信号时, cont=0, 为高阻态;dq端口全程记录DS18B20的状态, 向FPGA返回测量温度值时, 通过此端口将数字值存储输出。
3.3显示模块
界面采用SSD1303, 用以显示功率等级、定时参数以及温度变化等参数。该设计中所需字符比较简单, 按照需要自行设计了字符“0～9”, “.”, “:”, “T”。由于字库较小, 采用数组方式存放数据。如以下程序所示。
3.4报警及控制模块
该模块实现温度超限时报警及对数字电位器DS1867进行控制。该模块的部分代码如下:
4系统软件设计
系统启动时先进行初始化, 通过键盘设定参数, 读取数字温度计的数据, 判断温度是否超限, 超限则启动报警装置并调节数字电位器, 若不超限则继续检测数字温度计的数据。系统主程序流程图如图4所示。
5结束语
随着电子计算机技术的快速发展FPGA的优势越来越突出。基于FPGA的系统速度快、安全系数高, 可以并行处理, 使得它在现在的IT行业中占据了不可替代的地位。该设计采用VHDL硬件语言进行描述, 用FPGA及相关器件完成了对激光器功率的控制。经实际调试与运行, 实现了各个功能。该系统还有精度高、反应快等特点, 达到了预期设计目标。
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激光功率 篇6
机械总院哈尔滨焊接研究所将大功率固体激光高频振荡焊接技术引入激光-MIG复合堆焊, 攻克多个技术难点, 开发出一种基于光束扫描的铁或镍基材料激光MIG复合堆焊方法, 取得了大功率固体激光焊接工艺方法的重大技术创新;并针对航空航天用高强铝合金、钛合金在工程应用中的构件结构模拟件进行了系统焊接实验, 设计出高强铝合金、钛合金构件基于工程化应用的焊接工艺与装备的优化方案, 成功实现了该技术在航天、军事、民用3个领域的转化应用。
激光功率 篇7
道路状况传感器根据水、冰、雪的不同红外光谱特性, 通过对干燥路面反射的光谱信息和有覆盖物的情况下得到的光谱信息的对比, 实时检测路面的干、潮及湿状态, 测量水、冰、雪的覆盖类型和覆盖厚度。传感器使用单色性好、体积小、工作电压低的激光二极管提供阵列式多光谱, 根据光电管的性能, 要使光谱稳定, 光功率必须稳定, 功率的稳定性直接关系到仪器的测量精度和范围, 是影响仪器性能好坏的关键因素。系统利用专用驱动芯片和温度自动补偿技术实现功率的稳定, 同时利用激光二极管功率的PWM恒流电路实现功率的连续可调。
电路组成和工作原理
电路主要由驱动电路、脉宽控制恒流源电路、温度检测及补偿电路、单片机处理系统等电路组成, 结构如图1。各单元主要功能:驱动电路采用集成激光管驱动芯片iC-WKN, 使用少量器件利用激光二极管光反馈电流调整供电功率, 提高激光管输出功率的稳定性;脉宽控制恒流源电路利用PWM脉宽调制信号控制参考电流实现光功率的连续可调;温度检测及补偿电路自动调整激光管工作温度, 使其工作在一定范围的温度内, 减小环境温度变化对激光管输出功率的影响;滤波电路主要由稳压电源和滤波网络组成, 能使激光管电源输出稳定的电流并具有很小的纹波系数。
图2驱动电路
重点单元电路的设计
驱动电路设计
激光器控制片iC—WKN是德国iC—Haus公司的产品。它集成了一部分半导体激光器的保护电路, 可以对激光器进行更有效的保护。芯片具有2个监控引脚, 可以通过改变外部电阻调节激光器的输出功率, 还可利用外部可调节电流源对激光器的输出功率进行连续调制。该芯片可取代常见的半导体激光器驱动电源中复杂的模拟电路部分, 在对半导体激光器进行驱动的同时方便地控制其输出功率。根据光电管的工作原理, 在反向电压不变的情况下, 激光管监视电流的大小与光的强度成正比, 当功率稳定时, 激光管监视电流是不变的, 控制IMDK即可控制激光管功率, 公式如式1:
式中:VMDA=0.5v, IMA=激光管监视电流 (与激光管发射功率成正比) , IMDK=控制电流
本单元电路图如图2, U1 (iC-WKN) 稳定激光管功率原理如下:当激光管功率发生变化时, 光电管的检测电流随之改变, 芯片5脚的电压会发生变化, 引起内部运放的输出电压改变, 从而影响内部三极管的基极电流, 使激光管的工作电流改变, 直至激光管输出功率回到原来的数值。以光功率PO增大为例, 功率稳定过程如下。PO减小时的稳定过程与之类似。其中US为内部运放的输出电压, ILD为激光管工作电流, IR1为电压取样电阻R1两端电流。
脉宽调制恒流源电路的设计
本单元电路图如图3, 原理如下:改变单片机输出占空比, 经滤波转换电路变成直流电压信号U5, 通过改变R5两端的电压来改变IMDK, 从而对激光管的输出功率进行连续调节和控制。恒流源电路由功率三极管V1、运放N1和电阻R5等器件组成。单片机输出的脉宽调制信号经滤波转换电路变成与占空比成线性正比例关系的直流电压信号U5, 根据深度负反馈电路的的虚短特性U5=U6, 当直流电压U 5发生变化时, 采样电阻R5两端的电流Ib变化, Ib≈IMDK。根据式1改变PWM信号脉宽便实现了激光二极管的光功率的连续可调。
温度检测及补偿电路设计
本部分的电路图如图4, 根据系统的要求, 此电路能使激光管在稳定的温度下工作, 减小环境温度变化对激光管输出功率的影响。根据激光管的要求工作稳定温度选定范围为20℃-27℃。控制原理是通过热敏电阻感应激光管温度, 软件自动调节加热功率实现控温。电路功能:单片机输出高电平, 场效应管V2不通, R7, R8没有电流通过, 关闭加热功能;单片机输出低电平, 场效应管V2导通, R7、R8有电流通过, 激光管开始加热。当激光管温度高于20℃时, 不加热;当激光管温度低于20℃时, 为了保证激光管稳定加热, 根据实测温度与20℃的差值, 对加热功率进行阶梯调整, 直至找到一个能够保持温度稳定的加热功率。
单片机处理系统
单片机采用Silicon Labs公司的芯片C8051F310。该单片机包含了256字节RAM, 8K FLASH程序存储器, 可以在系统内编程, 不需特别的编程电压。采用单片机内部10位A/D, 既提高了可靠性、稳定性, 又节省了外部电路使设计更简洁。程序部分采用C51进行编程, 主程序工作流程如图5所示。
测试结果与分析
由表1可以证明当占空比一定时, 激光管输出电流是稳定的, 当占空比连续变化时, 激光管输出电流是连续可调的, 从而实现光功率稳定且连续可调。
结束语
经实验证明, 该电路具有结构简单、性能稳定、电流调整精度高、功率稳定的特点, 能够满足道路状况传感器对光功率稳定性能和连续可调的要求, 并利用此原理广泛应用于通信、医学和工业计量等各种领域。
参考文献
[1]杨欣荣主编.智能仪器原理、设计与发展[M].长沙:中南大学出版社, 2003-07
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[4]Neamen编著.电子电路分析与设计 (第3板) [M].北京:清华大学出版社, 2007-11