激光——人类创造的神奇之光 激光的最初中文名叫做“镭射”、“莱塞”，是它的英文名称LASER的音译，是取自英文Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation的各单词的头一个字母组成的缩写词。意思是“受激辐射的光放大”。激光的英文全名已完全表达了制造激光的主要过程。1964年按照我国著名科学家钱学森建议将“光受激发射”改称“激光”。 激光是20世纪以来，继原子能、计算机、半导体之后，人类的又一重大发明，被称为“最快的刀”、“最准的尺”、“最亮的光”和“奇异的激光”。它的原理早在 1916 年已被著名的物理学家爱因斯坦发现，但要直到 1958 年激光才被首次成功制造。激光是在有理论准备和生产实践 迫切需要的背景下应运而生的，它一问世，就获得了异乎寻常的飞快发展，激光的发展不仅使古老的光学科学和光学技术获得了新生，而且导致整个一门新兴产业的出现。激光可使人们有效地利用前所未有的先进方法和手段，去获得空前的效益和成果，从而促进了生产力的发展。 激光的产生原理： 受激辐射基于伟大的科学家爱因斯坦在1916年提出的一套全新的理论。这一理论是说在组成物质的原子中，有不同数量的粒子（电子）分布在不同的能级上，在高能级上的粒子受到某种光子的激发，会从高能级跳到（跃迁）到低能级上，这时将会辐射出与激发它的光相同性质的光，而且在某种状态下，能出现一个弱光激发出一个强光的现象。这就叫做“受激辐射的光放大”， 一段激活物质就是一个激光放大器。 激光的特点： （一）定向发光 普通光源是向四面八方发光。要让发射的光朝一个方向传播，需要给光源装上一定的聚光装置，如汽车的车前灯和探照灯都是安装有聚光作用的反光镜，使辐射光汇集起来向一个方向射出。激光器发射的激光，天生就是朝一个方向射出，光束的发散度极小，大约只有001弧度，接近平行。1962年，人类第一次使用激光照射月球，地球离月球的距离约38万公里，但激光在月球表面的光斑不到两公里。若以聚光效果很好，看似平行的探照灯光柱射向月球，按照其光斑直径将覆盖整个月球。 （二）亮度极高 在激光发明前，人工光源中高压脉冲氙灯的亮度最高，与太阳的亮度不相上下，而红宝石激光器的激光亮度，能超过氙灯的几百亿倍。因为激光的亮度极高，所以能够照亮远距离的物体。红宝石激光器发射的光束在月球上产生的照度约为02勒克斯（光照度的单位），颜色鲜红，激光光斑明显可见。若用功率最强的探照灯照射月球，产生的照度只有约一万亿分之一勒克斯，人眼根本无法察觉。激光亮度极高的主要原因是定向发光。大量光子集中在一个极小的空间范围内射出，能量密度自然极高。 （三）颜色极纯 光的颜色由光的波长（或频率）决定。一定的波长对应一定的颜色。太阳光的波长分布范围约在76微米至4微米之间，对应的颜色从红色到紫色共7种颜色，所以太阳光谈不上单色性。发射单种颜色光的光源称为单色光源，它发射的光波波长单一。比如氪灯、氦灯、氖灯、氢灯等都是单色光源，只发射某一种颜色的光。单色光源的光波波长虽然单一，但仍有一定的分布范围。如氪灯只发射红光，单色性很好，被誉为单色性之冠，波长分布的范围仍有00001纳米，因此氪灯发出的红光，若仔细辨认仍包含有几十种红色。由此可见，光辐射的波长分布区间越窄，单色性越好。 激光器输出的光，波长分布范围非常窄，因此颜色极纯。以输出红光的氦氖激光器为例，其光的波长分布范围可以窄到2×10-9纳米，是氪灯发射的红光波长分布范围的万分之二。由此可见，激光器的单色性远远超过任何一种单色光源。 （四）能量密度极大 光子的能量是用E=hγ来计算的，其中h为普朗克常量，γ为频率。由此可知，频率越高，能量越高。激光频率范围846*10^(14)Hz到895*10^(14)H 激光能量并不算很大，但是它的能量密度很大（因为它的作用范围很小，一般只有一个点），短时间里聚集起大量的能量，用做武器也就可以理解了。 目前激光技术及其应用研究内容包括： ⑴超快超强激光：超快超强激光主要以飞秒激光的研究与应用为主，作为一种独特的科学研究的工具和手段，飞秒激光的主要应用可以概括为三个方面，即飞秒激光在超快领域内的应用、在超强领域内的应用和在超微细加工中的应用。其中飞秒激光超微细加工是当今世界激光、光电子行业中的一个极为引人注目的前沿研究方向。 ⑵新型激光器研究：激光测距仪是激光在军事上应用的起点，将其应用到火炮系统，大大提高了火炮射击精度。激光雷达相比于无线电雷达，由于激光发散角小，方向性好，因此其测量精度大幅度提高。由于同样的原因，激光雷达不存在"盲区"，因此尤其适宜于对导弹初始阶段的跟踪测量。但由于大气的影响，激光雷达并不适宜在大范围内搜索，还只能作为无线电雷达的有力补足。 ⑶激光医疗：激光在医学上的应用分为两大类：激光诊断与激光治疗，前者是以激光作为信息载体，后者则以激光作为能量载体。多年来，激光技术已成为临床治疗的有效手段，也成为发展医学诊断的关键技术。它解决了医学中的许多难题，为医学的发展做出了贡献。现在，在基础研究、新技术开发以及新设备研制和生产等诸多方面都保持持续的、强劲的发展势头。 ⑷激光化学：激光化学的应用非常广泛。制药工业是第一个得益的领域。应用激光化学技术，不仅能加速药物的合成，而又可把不需要的副产品剔在一旁，使得某些药物变得更安全可靠，价格也可降低一些。又如，利用激光控制半导体，就可改进新的光学开关，从而改进电脑和通信系统。激光化学虽然尚处于起步阶段，但其前景十分光明。 目前全球业界公认的发展最快的、应用日趋广泛的最重要的高新技术就是光电技术。而在光电技术中，其基础技术之一就是激光技术。21世纪的激光技术与产业的发展将支撑并推进高速、宽带、海量的光通信以及网络通信，并将引发一场照明技术革命，小巧、可靠、寿命长、节能半导体(LED)将主导市场。光电技术将继微电子技术之后再次推动人类科学技术的革命和进步，激光产品已成为现代武器的"眼睛"和"神经"。激光的研究必将对相关领域进步起到巨大推动作用。
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为了推动微波功率合成技术的发展，需要开展多路同步输出的脉冲功率源开关关键技术研究，以实现电子束精确同步(同步抖动≤10 ns)，源输出波形一致性好，满足负载工作要求。在气体开关的各种触发方式中，激光触发开关是减少开关延迟时间和时间抖动的一种比较理想的开关。气体介质的激光开关，时延可达到1 ns～2 ns，其时间抖动可达到亚纳秒量级[1]。因此，单路脉冲功率源主开关采用吹气式激光触发气体火花开关，要求其开关抖动≤5 ns，重复频率为50 Hz。 在两路脉冲功率源的同步输出实验中，触发控制系统是保证源正确有效合成的关键。控制系统一方面产生两台源正常运行的工作时序，同时通过同步考虑的设计，控制激光触发开关产生触发信号，达到一定的功率合成效率。由于功率MOSFET具有单极型、电压驱动、开关速度快、输入阻抗高、热稳定性好及所需驱动功率小而且驱动电路简单的特点，所以采用MOSFET来设计激光触发器的外触发控制系统。 1 系统结构及工作原理 图1为激光触发脉冲功率源同步控制系统结构框图，单台源均采用德国InnoLas公司的SpitLight 1200激光器，将触发信号分成多路，分别控制单元开关导通。激光触发系统工作原理为：两路脉冲功率源的储能单元充电到设定值，控制系统根据目标位置设定两台源的触发时间间隔，分别发指令到两台源的激光触发系统，触发系统产生激光注入主开关，控制两组主开关各自击穿，初级能源系统储存的电能通过开关向负载馈送。 激光器对外触发系统的设计参数要求如下： (1)产生闪灯触发信号。脉冲幅值5 V～15 V，脉宽 ≥100 μs，工作频率50 Hz，负载50 Ω； (2)产生普克尔盒触发信号。脉冲幅值5 V～15 V，脉宽≥100 ?滋s，脉冲上升沿≤5 ns，负载50 Ω，工作频率50/N(N=1，2，…，50)。该信号与闪灯信号之间延时可调； (3)外触发电路、激光器和脉冲功率源之间采取隔离和屏蔽等抗干扰保护措施，确保触发系统在功率源高压大电流强辐射的恶劣环境中正常工作。 2 理论设计与分析 激光器外触发系统由控制信号产生和控制信号触发2部分组成，二者之间通过普通多模光纤(工作波长为820 nm)进行连接。其中，控制系统工作参数设置(如工作频率和工作次数等)、控制信号产生、输出信号隔离及转换(电/光)等功能在控制信号产生单元内实现，它位于操作者所在的工作区；放置于脉冲功率源激光器侧的是控制信号触发单元，完成通过光纤传输而来的输入信号转换(光/电)、放大、快上升沿信号形成以及隔离触发输出等功能。 1 控制信号产生单元设计 控制信号产生单元分为2部分： (1)脉冲触发信号发生器。用于产生控制功率MOSFET器件、功率晶体管工作的脉冲触发信号，具有输出脉冲的个数、脉宽及频率可调的能力，输出为TTL电平。采用工业PC，内置NI定时/计数卡PCI-6602，利用LabVIEW开发系统编制计算机人机界面，设置工作参数，编程产生激光器外触发工作所需的控制信号。其中PCI-6602提供8路32 bit源频率80 MHz的定时/计数通道，输出脉冲信号上升沿实验测试在10 ns左右； (2)光纤隔离电路。用于隔离TTL电平的触发信号和功率MOSFET的输出电压，具有响应快、不失真的特点。光纤发送器件选用HFBR-1414，其带宽可达5 MHz，满足脉宽为数百?滋s的触发脉冲信号传输要求。 2 控制信号触发单元设计 控制信号产生单元分为4部分： (1)光/电转换电路。采用HFBR-2412光纤接收器件，将通过多模光纤传输至控制信号触发单元的光信号转换为TTL电信号。 (2)功率MOSFET驱动/功率晶体管驱动电路，前者用于将低电平的TTL信号提升到可以用来驱动功率MOSFET器件的电平，以产生脉冲上升沿≤5 ns的激光器普克尔盒触发信号。后者用来产生闪灯触发信号。 (3)功率MOSFET器件。MOSFET（金属氧化物半导体场效应管)是一种电压控制型的器件，由于MOSFET是正温度系数，所以可避免温度持续上升而使器件损坏。同时由于它的导通电阻在理论上没有上限值，因此导通时的能量损失可以非常小。其优点是：具有非常快的导通和关断能力(ns量级)；非常低的触发能量；能工作在高重复频率下(MHz量级)；使用寿命长(平均109次)；高效率、脉宽可以调节(输出由输入触发信号决定)。经选择采用IR公司的功率MOSFET器件——IRLML2803，它的漏源极击穿电压VDSS为30 V，直流电流ID为2 A，脉冲下最大输出电流为3 A，导通延时时间Td(on)为9 ns，关断时间Toff为9 ns。 (4)电源部分。采用锂电池组提供给光纤隔离电路和功率MOSFET驱动电路所使用的低压电源。它配装有专用保护板，具有过充、过放、过压、欠压、过流短路及反接保护功能，进一步保证电池组控制部分的安全工作。这样有效地消除了触发单元与前级控制信号产生单元及后级功率源高压工作回路因电源共地而可能产生的高压击穿等危险因素。 如图2所示，变换后的TTL电平经整形、功率MOSFET/功率晶体管驱动、脉冲变压器隔离输出至激光器。为了保证触发单元的正常工作，在其输出至激光器之前需加入高耐压(5 kV)脉冲变压器进行电气隔离。 3 功率MOSFET器件及其驱动电路选择 图3为功率MOSFET器件的工作原理电路示意图。图3(a)中，RG和CGS是影响MOSFET导通延时的主要参数；漏栅极电容CGD是造成开关动作过程中栅极电压受干扰的主要参数；漏源极电容CDS是影响关断时间的主要参数。MOSFET器件转换过程有2个：导通转换和关断转换。导通转换过程的漏源电压VDS、漏极电流iD、栅源电压VGS和与栅极电流iG随时间t的变化关系如图3(b)所示。导通转换过程分成4个阶段，各个阶段分别是： (1)t0～t1阶段：栅极驱动电流iG对CDS和CGS充电，使CGS上的电压从0上升到MOSFET导通阈值VGS(th)。 (2)t1～t2阶段：栅源电压VGS继续以指数规律上升，超过MOSFET导通阐值VGS(th)达到Va，在VGS超过VGS(th)后，漏极电流开始增长，并达到最终的输出电流Io。在这一过程中，由于电压与电流重叠，MOSFET功耗最大。 (3)t2～t3阶段：从t2时刻开始，MOSFET漏源电压VDS开始下降，引起从漏极到栅极的密勒电容效应，使得VGS不能上升而出现平台，在t3时刻漏源电压下降到最小值。 (4)t3～t4阶段：在这一区间栅源电压VGS从平台上升到最后的驱动电压。上升的栅压使漏源电阻RDS(on)减小，t4以后MOSFET进入导通状态。 MOSFET器件的截止转换过程与上面的过程相反。由上面的分析可知对栅极驱动电路的要求主要有： (1)驱动信号的脉冲前、后沿都要陡峭。 (2)对功率MOSFET栅极的充放电回路时间常数要小，以提高功率MOSFET器件的开关速度。 (3)驱动电流为栅极电容的充放电电流，驱动电流要大，才能使开关波形的上升沿和下降沿更快。 选用MOSFET器件IRLML2803，查其特性曲线图可得：在VDS=15 V、VGS=12 V时，总栅极电荷QG≈7 nC，则栅极电容C=QG/VGS=7 nC/12 V≈3 nF=300 pF。 MOSFET导通和截止的速度与MOSFET栅极电容的充电和放电速度有关。MOSFET栅极电容、导通和截止时间与MOSFET驱动器的驱动电流的关系可以表示为： dT=(dV×C)/I 式中，dT是导通/截止时间，dV是栅极电压，C是栅极电容(从栅极电荷值)，I是峰值驱动电流(对于给定电压值)。 IRLML2803导通/截止时间是4 ns，则I=QG/dT=7 nC/4 ns≈9 A。即由以上公式得出的峰值驱动电流为9 A，同时还需要考虑在MOSFET驱动器和功率MOSFET栅极之间使用的外部电阻，这会减小驱动栅极电容的峰值充电电流，所以选择峰值输出电流大于9 A的驱动器。系统中采用的是5 A高峰值输出电流的同相驱动器TC4424A，经实验验证满足快上升沿信号输出要求。 3 测试结果与分析 1 触发信号光纤传输转换测试 激光器外触发系统采用光纤传输和收发技术，由于其本身是由绝缘材料制成，所以具有很好的高电压隔离能力，同时还具有很强的抗干扰能力，多路光纤信号传输的同步性也非常好，满足对信号高压隔离和同步性的要求。 图4为激光器外触发单元产生的信号波形图。图4(a)、图4(b)中通道2均显示的是工作频率50Hz的激光器闪灯触发信号（前者是输出个数为50的脉冲序列，后者是单个输出脉冲），它在控制信号产生单元内由PC机编程产生，经脉冲变压器隔离、电/光转换、光纤传输处理输入至触发单元，再经过光/电转换、功率晶体管驱动放大，由高耐压脉冲变压器隔离输出至激光器，其上升时间Tr在200 ns以内，主要是由脉冲变压器的输出上升时间确定。 图4(a)、图4(b)中通道1均为激光器普克尔盒触发信号(显示方式同通道2)，工作频率50 Hz（50/N，N=1)，在控制信号产生单元内信号生成方式同闪灯触发信号，不同的是在触发单元内经过功率MOSFET及高速MOSFET驱动器成形等处理，最终生成实测上升沿小于5 ns的脉冲信号。 实验中测得激光器闪灯触发信号、普克尔盒触发信号脉宽均为160 μs，后者较前者滞后约250 μs，两者均可调，并且普克尔盒触发信号的输出频率也可调，满足激光器的使用要求。 2 激光器外触发工作对功率源的影响 低抖动高功率重复频率主开关系统是功率源同步控制系统的研制核心和难点。为了实现脉冲功率源同步系统的低抖动工作，首先对系统工作过程中的抖动来源进行分析。同步系统的工作流程如下：激光器外触发系统产生一个快上升沿的信号送到激光器，激光器产生脉冲激光注入激光开关，激光开关闭合，形成线通过感应叠加模块对二极管放电，产生电子束。在这个过程中，可能产生以下的抖动： (1)激光器外触发系统电路抖动J1。抖动来源于传输线路及转换线路中的芯片延时不同和芯片本身的抖动，该抖动经实测小于2 ns； (2)激光器抖动J2。抖动来源于激光器的工作过程，在快前沿信号(tr≤5 ns)触发下激光器抖动小于3 ns。 (3)激光开关抖动J3。抖动来源于激光触发产生等离子体放电的物理过程，设计指标为小于5 ns。 图5为脉冲功率源中4路感应叠加模块合成负载波形，重复频率25 Hz，负载为平面二极管，图中为25个波形的重叠（通道1为二极管电流信号波形，通道2为二极管电压信号波形）。由此证明：采用激光器外触发系统，负载输出波形的一致性较好，重复频率25 Hz工作时开关抖动低，满足设计要求。 3 抗干扰考虑 激光器外触发单元是同步运行中的控制环节，是装置能否正常工作的关键。对触发电路的要求是脉冲前沿陡且有足够的幅值与脉宽，稳定性与抗干扰性能好等。而高压发生装置容易产生各种瞬时尖峰信号，即所谓“毛刺”，当其幅值和能量达到一定程度时，极易导致系统不能正常运行。在前期的同步运行试验调试过程中，由于受实验场地条件的限制，激光器电源与脉冲功率源的初级充电电源共地，在功率源运行时，导致激光器外触发系统输出至激光器普克尔盒的触发信号相对于设定时刻提前产生一个尖峰干扰脉冲，从而无法保证同步运行试验的正常进行。对此采取增加电源滤波器、高频电容等方式，以消除电源引入的干扰影响，结果有所改善。下一步工作则是将激光器与其外触发系统共用同一电源，与脉冲功率源的电源彻底分开，保证同步系统的安全工作。 实验结果表明：采用功率MOSFET及其高速驱动器等措施有效，利用光纤收发器件转换传输、高耐压脉冲变压器隔离可行。影响脉冲功率源开关同步输出转换效率的是激光器外触发回路的性能。功率MOSFET开关通断状态可以通过触发脉冲控制，选用高峰值输出电路的MOSFET驱动器，可以将输出脉冲信号上升沿控制在5 ns以下。采用激光器外触发系统，单台脉冲功率源重频开关实现参数：工作电压150 kV，电流30 kA、抖动 ≤5 ns、重复频率25 Hz。为进一步开展两台或多台脉冲功率源稳定、可靠地精确同步输出奠定一定的技术基础。 另外，触发控制电路印制电路板中，控制电路极易受到功率回路的干扰，应使MOSFET驱动器和MOSFET的走线长度尽可能短，以此限制电感引起的振荡效应。驱动器输出和MOSFET栅极间的电感，也会影响MOSFET驱动器在瞬态条件下将MOSFET栅极维持在低电平的能力。激光触发实验中存在的问题，如减小波形前沿、增强抗干扰能力等还需要继续深入研究。 参考文献 [1] 刘锡三高功率脉冲技术[M]北京：国防工业出版社，2005：367- [2] 赵军平，章林文，李劲基于MOSFET的固体开关技术实验研究[J]强激光与粒子束，2004(11) [3] Yee H PAn EMI suppression MOSFET driver[A]Proceedings of Applied Power Electronics Conference and Exposition[C]Twelfth Annual，1997：242- [4] SAETHRE R，KIRBIE H，CAPORASO G，et Optical control，diagnostic and power supply system for a solid state induction modulator[A]Proceedings of 11th IEEE International Pulsed Power Conference[C]Baltimore Maryland，1997：1397-
为了推动微波功率合成技术的发展，需要开展多路同步输出的脉冲功率源开关关键技术研究，以实现电子束精确同步(同步抖动≤10 ns)，源输出波形一致性好，满足负载工作要求。在气体开关的各种触发方式中，激光触发开关是减少开关延迟时间和时间抖动的一种比较理想的开关。气体介质的激光开关，时延可达到1 ns～2 ns，其时间抖动可达到亚纳秒量级[1]。因此，单路脉冲功率源主开关采用吹气式激光触发气体火花开关，要求其开关抖动≤5 ns，重复频率为50 Hz。 在两路脉冲功率源的同步输出实验中，触发控制系统是保证源正确有效合成的关键。控制系统一方面产生两台源正常运行的工作时序，同时通过同步考虑的设计，控制激光触发开关产生触发信号，达到一定的功率合成效率。由于功率MOSFET具有单极型、电压驱动、开关速度快、输入阻抗高、热稳定性好及所需驱动功率小而且驱动电路简单的特点，所以采用MOSFET来设计激光触发器的外触发控制系统。 1 系统结构及工作原理 图1为激光触发脉冲功率源同步控制系统结构框图，单台源均采用德国InnoLas公司的SpitLight 1200激光器，将触发信号分成多路，分别控制单元开关导通。激光触发系统工作原理为：两路脉冲功率源的储能单元充电到设定值，控制系统根据目标位置设定两台源的触发时间间隔，分别发指令到两台源的激光触发系统，触发系统产生激光注入主开关，控制两组主开关各自击穿，初级能源系统储存的电能通过开关向负载馈送。 激光器对外触发系统的设计参数要求如下： (1)产生闪灯触发信号。脉冲幅值5 V～15 V，脉宽 ≥100 μs，工作频率50 Hz，负载50 Ω； (2)产生普克尔盒触发信号。脉冲幅值5 V～15 V，脉宽≥100 ?滋s，脉冲上升沿≤5 ns，负载50 Ω，工作频率50/N(N=1，2，…，50)。该信号与闪灯信号之间延时可调； (3)外触发电路、激光器和脉冲功率源之间采取隔离和屏蔽等抗干扰保护措施，确保触发系统在功率源高压大电流强辐射的恶劣环境中正常工作。 2 理论设计与分析 激光器外触发系统由控制信号产生和控制信号触发2部分组成，二者之间通过普通多模光纤(工作波长为820 nm)进行连接。其中，控制系统工作参数设置(如工作频率和工作次数等)、控制信号产生、输出信号隔离及转换(电/光)等功能在控制信号产生单元内实现，它位于操作者所在的工作区；放置于脉冲功率源激光器侧的是控制信号触发单元，完成通过光纤传输而来的输入信号转换(光/电)、放大、快上升沿信号形成以及隔离触发输出等功能。 1 控制信号产生单元设计 控制信号产生单元分为2部分： (1)脉冲触发信号发生器。用于产生控制功率MOSFET器件、功率晶体管工作的脉冲触发信号，具有输出脉冲的个数、脉宽及频率可调的能力，输出为TTL电平。采用工业PC，内置NI定时/计数卡PCI-6602，利用LabVIEW开发系统编制计算机人机界面，设置工作参数，编程产生激光器外触发工作所需的控制信号。其中PCI-6602提供8路32 bit源频率80 MHz的定时/计数通道，输出脉冲信号上升沿实验测试在10 ns左右； (2)光纤隔离电路。用于隔离TTL电平的触发信号和功率MOSFET的输出电压，具有响应快、不失真的特点。光纤发送器件选用HFBR-1414，其带宽可达5 MHz，满足脉宽为数百?滋s的触发脉冲信号传输要求。 2 控制信号触发单元设计 控制信号产生单元分为4部分： (1)光/电转换电路。采用HFBR-2412光纤接收器件，将通过多模光纤传输至控制信号触发单元的光信号转换为TTL电信号。 (2)功率MOSFET驱动/功率晶体管驱动电路，前者用于将低电平的TTL信号提升到可以用来驱动功率MOSFET器件的电平，以产生脉冲上升沿≤5 ns的激光器普克尔盒触发信号。后者用来产生闪灯触发信号。 (3)功率MOSFET器件。MOSFET（金属氧化物半导体场效应管)是一种电压控制型的器件，由于MOSFET是正温度系数，所以可避免温度持续上升而使器件损坏。同时由于它的导通电阻在理论上没有上限值，因此导通时的能量损失可以非常小。其优点是：具有非常快的导通和关断能力(ns量级)；非常低的触发能量；能工作在高重复频率下(MHz量级)；使用寿命长(平均109次)；高效率、脉宽可以调节(输出由输入触发信号决定)。经选择采用IR公司的功率MOSFET器件——IRLML2803，它的漏源极击穿电压VDSS为30 V，直流电流ID为2 A，脉冲下最大输出电流为3 A，导通延时时间Td(on)为9 ns，关断时间Toff为9 ns。 (4)电源部分。采用锂电池组提供给光纤隔离电路和功率MOSFET驱动电路所使用的低压电源。它配装有专用保护板，具有过充、过放、过压、欠压、过流短路及反接保护功能，进一步保证电池组控制部分的安全工作。这样有效地消除了触发单元与前级控制信号产生单元及后级功率源高压工作回路因电源共地而可能产生的高压击穿等危险因素。 如图2所示，变换后的TTL电平经整形、功率MOSFET/功率晶体管驱动、脉冲变压器隔离输出至激光器。为了保证触发单元的正常工作，在其输出至激光器之前需加入高耐压(5 kV)脉冲变压器进行电气隔离。 3 功率MOSFET器件及其驱动电路选择 图3为功率MOSFET器件的工作原理电路示意图。图3(a)中，RG和CGS是影响MOSFET导通延时的主要参数；漏栅极电容CGD是造成开关动作过程中栅极电压受干扰的主要参数；漏源极电容CDS是影响关断时间的主要参数。MOSFET器件转换过程有2个：导通转换和关断转换。导通转换过程的漏源电压VDS、漏极电流iD、栅源电压VGS和与栅极电流iG随时间t的变化关系如图3(b)所示。导通转换过程分成4个阶段，各个阶段分别是： (1)t0～t1阶段：栅极驱动电流iG对CDS和CGS充电，使CGS上的电压从0上升到MOSFET导通阈值VGS(th)。 (2)t1～t2阶段：栅源电压VGS继续以指数规律上升，超过MOSFET导通阐值VGS(th)达到Va，在VGS超过VGS(th)后，漏极电流开始增长，并达到最终的输出电流Io。在这一过程中，由于电压与电流重叠，MOSFET功耗最大。 (3)t2～t3阶段：从t2时刻开始，MOSFET漏源电压VDS开始下降，引起从漏极到栅极的密勒电容效应，使得VGS不能上升而出现平台，在t3时刻漏源电压下降到最小值。 (4)t3～t4阶段：在这一区间栅源电压VGS从平台上升到最后的驱动电压。上升的栅压使漏源电阻RDS(on)减小，t4以后MOSFET进入导通状态。 MOSFET器件的截止转换过程与上面的过程相反。由上面的分析可知对栅极驱动电路的要求主要有： (1)驱动信号的脉冲前、后沿都要陡峭。 (2)对功率MOSFET栅极的充放电回路时间常数要小，以提高功率MOSFET器件的开关速度。 (3)驱动电流为栅极电容的充放电电流，驱动电流要大，才能使开关波形的上升沿和下降沿更快。 选用MOSFET器件IRLML2803，查其特性曲线图可得：在VDS=15 V、VGS=12 V时，总栅极电荷QG≈7 nC，则栅极电容C=QG/VGS=7 nC/12 V≈3 nF=300 pF。 MOSFET导通和截止的速度与MOSFET栅极电容的充电和放电速度有关。MOSFET栅极电容、导通和截止时间与MOSFET驱动器的驱动电流的关系可以表示为： dT=(dV×C)/I 式中，dT是导通/截止时间，dV是栅极电压，C是栅极电容(从栅极电荷值)，I是峰值驱动电流(对于给定电压值)。 IRLML2803导通/截止时间是4 ns，则I=QG/dT=7 nC/4 ns≈9 A。即由以上公式得出的峰值驱动电流为9 A，同时还需要考虑在MOSFET驱动器和功率MOSFET栅极之间使用的外部电阻，这会减小驱动栅极电容的峰值充电电流，所以选择峰值输出电流大于9 A的驱动器。系统中采用的是5 A高峰值输出电流的同相驱动器TC4424A，经实验验证满足快上升沿信号输出要求。 3 测试结果与分析 1 触发信号光纤传输转换测试 激光器外触发系统采用光纤传输和收发技术，由于其本身是由绝缘材料制成，所以具有很好的高电压隔离能力，同时还具有很强的抗干扰能力，多路光纤信号传输的同步性也非常好，满足对信号高压隔离和同步性的要求。 图4为激光器外触发单元产生的信号波形图。图4(a)、图4(b)中通道2均显示的是工作频率50Hz的激光器闪灯触发信号（前者是输出个数为50的脉冲序列，后者是单个输出脉冲），它在控制信号产生单元内由PC机编程产生，经脉冲变压器隔离、电/光转换、光纤传输处理输入至触发单元，再经过光/电转换、功率晶体管驱动放大，由高耐压脉冲变压器隔离输出至激光器，其上升时间Tr在200 ns以内，主要是由脉冲变压器的输出上升时间确定。 图4(a)、图4(b)中通道1均为激光器普克尔盒触发信号(显示方式同通道2)，工作频率50 Hz（50/N，N=1)，在控制信号产生单元内信号生成方式同闪灯触发信号，不同的是在触发单元内经过功率MOSFET及高速MOSFET驱动器成形等处理，最终生成实测上升沿小于5 ns的脉冲信号。 实验中测得激光器闪灯触发信号、普克尔盒触发信号脉宽均为160 μs，后者较前者滞后约250 μs，两者均可调，并且普克尔盒触发信号的输出频率也可调，满足激光器的使用要求。 2 激光器外触发工作对功率源的影响 低抖动高功率重复频率主开关系统是功率源同步控制系统的研制核心和难点。为了实现脉冲功率源同步系统的低抖动工作，首先对系统工作过程中的抖动来源进行分析。同步系统的工作流程如下：激光器外触发系统产生一个快上升沿的信号送到激光器，激光器产生脉冲激光注入激光开关，激光开关闭合，形成线通过感应叠加模块对二极管放电，产生电子束。在这个过程中，可能产生以下的抖动： (1)激光器外触发系统电路抖动J1。抖动来源于传输线路及转换线路中的芯片延时不同和芯片本身的抖动，该抖动经实测小于2 ns； (2)激光器抖动J2。抖动来源于激光器的工作过程，在快前沿信号(tr≤5 ns)触发下激光器抖动小于3 ns。 (3)激光开关抖动J3。抖动来源于激光触发产生等离子体放电的物理过程，设计指标为小于5 ns。 图5为脉冲功率源中4路感应叠加模块合成负载波形，重复频率25 Hz，负载为平面二极管，图中为25个波形的重叠（通道1为二极管电流信号波形，通道2为二极管电压信号波形）。由此证明：采用激光器外触发系统，负载输出波形的一致性较好，重复频率25 Hz工作时开关抖动低，满足设计要求。 3 抗干扰考虑 激光器外触发单元是同步运行中的控制环节，是装置能否正常工作的关键。对触发电路的要求是脉冲前沿陡且有足够的幅值与脉宽，稳定性与抗干扰性能好等。而高压发生装置容易产生各种瞬时尖峰信号，即所谓“毛刺”，当其幅值和能量达到一定程度时，极易导致系统不能正常运行。在前期的同步运行试验调试过程中，由于受实验场地条件的限制，激光器电源与脉冲功率源的初级充电电源共地，在功率源运行时，导致激光器外触发系统输出至激光器普克尔盒的触发信号相对于设定时刻提前产生一个尖峰干扰脉冲，从而无法保证同步运行试验的正常进行。对此采取增加电源滤波器、高频电容等方式，以消除电源引入的干扰影响，结果有所改善。下一步工作则是将激光器与其外触发系统共用同一电源，与脉冲功率源的电源彻底分开，保证同步系统的安全工作。 实验结果表明：采用功率MOSFET及其高速驱动器等措施有效，利用光纤收发器件转换传输、高耐压脉冲变压器隔离可行。影响脉冲功率源开关同步输出转换效率的是激光器外触发回路的性能。功率MOSFET开关通断状态可以通过触发脉冲控制，选用高峰值输出电路的MOSFET驱动器，可以将输出脉冲信号上升沿控制在5 ns以下。采用激光器外触发系统，单台脉冲功率源重频开关实现参数：工作电压150 kV，电流30 kA、抖动 ≤5 ns、重复频率25 Hz。为进一步开展两台或多台脉冲功率源稳定、可靠地精确同步输出奠定一定的技术基础。 另外，触发控制电路印制电路板中，控制电路极易受到功率回路的干扰，应使MOSFET驱动器和MOSFET的走线长度尽可能短，以此限制电感引起的振荡效应。驱动器输出和MOSFET栅极间的电感，也会影响MOSFET驱动器在瞬态条件下将MOSFET栅极维持在低电平的能力。激光触发实验中存在的问题，如减小波形前沿、增强抗干扰能力等还需要继续深入研究。 参考文献 [1] 刘锡三高功率脉冲技术[M]北京：国防工业出版社，2005：367- [2] 赵军平，章林文，李劲基于MOSFET的固体开关技术实验研究[J]强激光与粒子束，2004(11) [3] Yee H PAn EMI suppression MOSFET driver[A]Proceedings of Applied Power Electronics Conference and Exposition[C]Twelfth Annual，1997：242- [4] SAETHRE R，KIRBIE H，CAPORASO G，et Optical control，diagnostic and power supply system for a solid state induction modulator[A]Proceedings of 11th IEEE International Pulsed Power Conference[C]Baltimore Maryland，1997：1397-
回答 您好喔 这些是应用方面的喔 1、激光加工技术 激光的空间控制性和时间控制性很好，对加工对象的材质、形状、尺寸和加工环境的自由度都很大，特别适用于自动化加工。激光加工系统与计算机数控技术相结合可构成高效自动化加工设备，已成为企业实行适时生产的关键技术，为优质、高效和低成本的加工生产开辟了广阔的前景。 热加工和冷加工均可应用在金属和非金属材料，进行切割，打孔，刻槽，标记等。热加工金属材料进行焊接，表面处理，生产合金，切割均极有利。冷加工则对光化学沉积，激光快速成形技术，激光刻蚀，掺染和氧化都很合适。 2、激光快速成型 用激光制造模型时用的材料是液态光敏树脂，它在吸收了紫外波段的激光能量后便发生凝固，变化成固体材料。把要制造的模型编成程序，输入到计算机。激光器输出来的激光束由计算机控制光路系统，使它在模型材料上扫描刻划，在激光束所到之处，原先是液态的材料凝固起来。激光束在计算机的指挥下作完扫描刻划，将光敏聚合材料逐层固化，精确堆积成样件，造出模型。所以，用这个办法制造模型，速度快，造出来的模型又精致。该技术已在航空航天、电子、汽车等工业领域得到广泛应用。 3、激光焊接 激光束照射在材料上，会把它加热至融熔，使对接在一起的组件接合在一起，即是焊接。激光焊接，用比切割金属时功率较小的激光束，使材料熔化而不使其气化，在冷却后成为一块连续的固体结构。激光焊接技术具有溶池净化效应，能纯净焊缝金属，适用于相同和不同金属材料间的焊接。由于激光能量密度高，对高熔点、高反射率、高导热率和物理特性相差很大的金属焊接特别有利。因为用激光焊接是不需要任何焊料的，所以排除了焊接组件受污染的可能;其次，激光束可被光学系统聚成直径很细的光束，换言之，激光可以作成非常精细的焊枪，做精密焊接工作;还有激光焊接与组件不会直接接触，亦即这是非接触式的焊接，因而材料质地脆弱也不打紧，还可以对远离我们身边的组件作焊接，也可以把放置在真空室内的组件焊接起来。因为激光焊接有这些特点，所以它在微电子工业中尤其受欢迎。 4、激光雕刻 用激光雕刻刀作雕刻，比用普通雕刻刀更方便，更迅速。用普通雕刻刀在坚硬的材料上，比如在花冈巖、钢板上作雕刻，或者是在一些比较柔软的材料，比如皮革上作雕刻，就比较吃力，刻一幅图案要花比较长的时间。如果使用激光雕刻则不同，因为它是利用高能量密度的 提问 谢谢 你太厉害了 回答 不至于哦 也就是普通人喔 更多11条
激光雷达是向目标发射激光束信号，接收器根据接收到的反射信号与发射信号进行比较进行一定的运算处理后得到目标物体的相关信息，比如目标距离，目标方向、目标高度、目标速度等。激光本身具有非常精确的测距能力，测距距离精度可达到几厘米，激光雷达工作原理与船用雷达原理非常接近，它是以激光束作为信号源，发射到船体上，引起散射，一部分光波会反射回激光雷达接收器，激光雷达不断发送脉冲激光进行扫描目标船体，就可以得到船舶上船体的点云数据，由此数据就可以得到精确的三维立体图像，基于激光雷达的原理和其特性，现激光雷达技术已经广泛用在军事、农业、气象、医疗、水土检测、自动驾驶等领域，作为应用场景较为单一的河道内检测船舶的可行性非常高的。激光雷达检测船舶超高偏航 该传感器的点云密度可轻松超过128线激光雷达。面对反射率低至 10% 的物体，探测距离仍可达 320 米，可探测量程极限1000米，角度精度达 03°，光束发散角低至 12°（垂直）x 02°（水平），在工作时可射出多线激光同时进行高速非重复扫描，每秒可将多达 240,000 点的点云数据分布在约 15 度 FOV 里，仅需 100 ms 视场覆盖率即可达到 8%，点云密度超过市面上主流 128 线机械式激光雷达，传统的机械激光雷达需要旋转电子元件让其扫描范围实现360度覆盖。激光雷达的独特设计不使用此类移动部件，只使用旋转棱镜，与传统的机械激光雷达相比，此种设计使其激光雷达能够工作得更久、更可靠。下图为激光雷达扫描图以及覆盖率曲线图。激光雷达多线扫描激光雷达覆盖率曲线图激光雷达结构图在桥梁防船撞智能预警系统中，激光雷达技术可精准检测船舶的高度，长度、宽度。喜讯科技做了不少的案例工程。 桥梁防碰撞预警系统具有强大的数据处理能力、可对船舶的形态分析、三维重构、吨位计算、多源数据的融合输出船舶流量、航行状态的最终结果，报送给相关管理部门。激光雷达在于提供一种新的船舶超高与偏航检测手段，即可实现超高检测，同时有能实现偏航预警，实时性高，误判率低，检测精度高。激光雷达检测船舶航行状态
激光雷达的工作原理与雷达非常相近，以激光作为信号源，由激光器发射出的脉冲激光，打到地面的树木，道路，桥梁和建筑物上引起散射，一部分光波会反射到激光雷达的接收器上，根据激光测距原理计算，就得到从激光雷达到目标点的距离。脉冲激光不断地扫描目标物，就可以得到目标物上全部目标点的数据，用此数据进行成像处理后，就可得到精确的三维立体图像。也可以测量两个或多个距离，并计算其变化率而求得速度，这是、也是直接探测型雷达的基本工作原理。LiDAR系统一般包括；激光源或其它发射器，灵敏的光电探测器或其它接收器，同步和数据处理电子系统，运动控制设备或微机电系统（MEMS）扫描镜（二选一）。均是基于精确的激光扫描组件并可用于创建3D地图或收集近距离数据。民用和商业应用中，保证用眼安全的激光器在高性能紧凑型LiDAR中越来越受欢迎。在用眼安全的波长范围内，当在地形测绘和避障中探测固体时，通常需要约红外激光器发射5 µm的波长。扩展资料激光雷达按照机械结构可以分为两种，一种是机械激光雷达，一种是固态激光雷达。机械激光雷达外表上最大的特点就是有机械旋转机构，也就是自己会转，固态激光雷达其实还可以细分为 OPA，MEMS，Flash 三种线路，固态激光雷达结构上最大的特点就是没有了旋转部件，个头相对较小。激光雷达几个重要的参数分别为测量距离、角视场、测量精度、测量速率。角视场一般有垂直角视场和水平角视场，角视场决定了“眼睛”的视野有多大。测量精度意味着“眼睛”能看得多清楚，这个精度“够用”就行，并不需要将地上的沙子、石子也看清。角分辨率，角分辨率越小相对精度越高，举个例子，一个角分辨率为 4 度的 64 线激光雷达，扫描 50 米外 7 米的物体可以产生 5 条线的数据，一个角分辨率为 33 度的 40 线激光雷达，同样的物体可以获得 6 条线的数据。机械式激光雷达将激光线束竖向排列形成一个面，通过械旋转部件转动这个面，扫描周围环境即可呈现出三维立体图形。我们常说的 16 线、32 线、64 线就是竖向排列线束的数量，数量越多，密度则越大，精度相对就越高，但计算机需要处理的信息量也随着增大。因为机械式激光雷达是旋转的，所以水平视角有 360 度，能将周围一圈都看清楚，旋转速度也影响着扫描频率。机械激光雷达个头较大，又有机械旋转部件，所以并不能与我们常见汽车的造型完美融合，只能突兀地放在车顶，看起来并没有未来的感觉。固态激光雷达因为没有旋转机构，所以水平视角非常有限，需要在不同方向布置多个固态激光雷达，优点是响应速度快，精度较高，而且个头相对较小，便于藏在车身内。参考资料百度百科--激光雷达
一看就知道是永哥的学生，你要被封杀的
这个在一般的硕士毕业大论文里都会论述激光雷达探测大气的基本原理即是上述几种激光与大气相互作用的机制。激光器产生的激光束经光束准直（有的情况下需要扩束）后发射到大气中，激光在大气中传输遇到空气分子、气溶胶等成分便会发生散射、吸收等作用。散射中的小部分能量——后向散射光落入接收望远镜视场被接收。被接收到的后向散射光传输到光电探测器（通常为PMT）被转换成电信号（一般为电流信号），实现光-电转换，再经一系列的运算放大，最终被显示、记录。对于不同高度的信号，利用激光信号传输时间间隔来记录，光速c已知，便可换算成距离：。如果接收到的是回波点数，乘以系统距离分辨率即得高度。这样就获得了激光雷达P-z数据，利用激光雷达方程结合相关算法便可反演出相关大气特性，如大气垂直消光廓线、气体浓度、成分以及温度廓线等。
计算机控制三D光电跟踪激光切割机设计摘 要: 光电跟踪切割机由于具有性能稳定、坚固耐用、效率高、易操作、切割精确度高、生产成本低等特点而在各种精密机加工方面得到广泛应用。但是目前的光电切割机只能进行二维图纸扫描，按照图纸进行二维切割。如德国梅塞一格里斯海姆公司的KS26／3100直角坐标式光电跟踪切割机就只能进行二维切割。本文设计一种全新的三维光电跟踪切割机是利用摄像技术的一种全新理念的计算机控制三维动态的光电控制切割机。[著者文摘]关键词: 三维动态 光电跟踪 计算机控制 切割机
laser cutting激光切割词典[化] laser cutting网络laser; Laser cut; cutting如果有帮助，请采纳。