2025年雷射器行業技術分析：熱控系統電路創新引領高效發展

  在當今科技蓬勃發展的時代，雷射器作為一項關鍵技術，廣泛應用於現代工業、科研、醫療等諸多領域。以2025年的行業現狀來看，大功率雷射器在各應用場景中的需求持續增長，其性能的穩定性愈發成為關注焦點。例如，在雷射測距領域，1064nm 波長的大功率雷射器是核心光源，其波長溫度漂移(典型值約 0.1nm/℃)會導致回波信號解算誤差，直接影響千米級距離測量的毫米級精度要求;在醫療領域，如雷射碎石或組織消融，溫度波動引發的輸出功率起伏可能造成治療劑量失控，甚至危及患者安全。這使得對雷射器熱控系統的研究和改進迫在眉睫，熱控系統的性能直接關係到雷射器能否穩定、高效地運行。

  一、雷射器熱控難題：傳統方案的困境

  大功率 1064nm 雷射器在眾多設備中扮演著核心角色，其性能穩定性與工作溫度控制精度緊密相關。《2025-2030年全球及中國雷射器行業市場現狀調研及發展前景分析報告》指出，在實際應用中，像 400W 級的雷射器，在啟動階段需要快速預熱光學腔體，防止冷凝效應的產生;而在持續工作時，則要以 ±1℃的精度抑制熱致光束畸變，以確保雷射器的正常運行和輸出效果。

  然而，傳統的熱控技術，如分體式 TEC 加熱 / 製冷模塊，雖然能滿足一般場景的需求，但在面對大功率、高動態負載的工況時，卻暴露出諸多問題。傳統雙向 TEC 驅動電路受限於分立式架構和低電流容量，若要實現高功率輸出，就需要多模塊並聯，這不僅導致系統體積龐大，還使得能效不足。而且，脈衝雷射器在突發工作模式下，會產生瞬態熱衝擊，比如突然開機時的功率躍升，這對控制電路的動態響應提出了亞秒級調節的高要求，而傳統的門控算法與單向驅動拓撲難以適應這種極端工況。

  二、創新電路設計：突破傳統局限

  為了解決上述難題，一種基於直流電機驅動晶片的雙向換向 TEC 控制電路應運而生。這種創新設計對 TEC 傳統驅動拓撲進行了重構，優化了電路結構，實現了亞秒級控制周期的閉環熱控。

  在具體設計中，選用大功率、大散熱的 H 橋驅動器，型號為 ZHD75S10。該晶片採用厚膜混合集成電路工藝，全密封金屬外殼封裝，具備諸多優良特性。其工作電壓範圍為 9 - 16V，引線焊接溫度可達 300℃(10s)，工作溫度範圍在 -55℃ - 125℃，最大驅動能力為 12A(常規散熱)。通過 DIS 引腳可以控制晶片電流方向，考慮到製冷器為非線性阻性負載，與電機繞組特性不同，在輸出端正負均設計了 LC 濾波電路，電感選用大封裝貼片電感，電感值 150μH，直流電阻阻值 0.036Ω，並聯電容等效容值 100μF，以此達到更優異的控制效果。

  該電路設計實現了單晶片架構下 TEC 的加熱(+12A)與製冷(-12A)雙向切換功能，能夠很好地適配 1064nm 雷射器整機 400W 熱耗的熱管理需求。這種設計突破了傳統方案中加熱與製冷電路分立導致的效率瓶頸，為雷射器熱控系統帶來了新的發展方向。

  三、優化算法加持：精準控溫的關鍵

  雷射器熱控系統不僅在電路設計上進行了創新，還採用了多級功率分配 PID 控制策略，以實現精準控溫。

  雷射系統中的熱控軟體運行在主控制器上，通過採集熱敏電阻反饋的信息，控制製冷器和加熱帶，將系統溫度控制在設定目標溫度值上。該熱控單機有測溫模式、保溫模式、熱控模式三種工作模式。其中，控溫模式由 TEC 工作，旨在啟動時快速升溫、穩態時精準控溫;保溫模式則由加熱帶工作，用於在極端情況下低功耗維持系統溫度。

  通過建立差分方程並求解通項公式，證明了該算法的穩定性。這種控制方法有效，且在 21 次左右疊代即可收斂並保持穩定。採用多級功率分配的 PID 控制具有快速收斂性、穩態高精度、強魯棒性和低計算開銷等優點，能使 10℃ - 0.5℃的調節時間縮短近 30%，整機工作範圍內溫度波動控制在 1℃以內，在雷射器功率變化對應的環境溫度突變時仍能保證工作需求，模式決策算法僅占用 5% 的 CPU 資源。

  四、試驗驗證成效：性能顯著提升

  為了驗證該熱控系統的性能，進行了一系列試驗。試驗選用 1064nm 波長、400W 熱耗的雷射器，熱控系統包含雙向 TEC 驅動電路、STM32 主控板、熱敏電阻，控制算法的程序控制周期為 100ms，數據採樣頻率為 20Hz，實驗在真空試驗箱中進行。

  在預熱階段試驗中，從室溫 22℃升溫至目標控溫溫度 31℃。實驗結果顯示，多級功率分配的 PID 控制在溫差為 5℃以上時升溫迅速，在溫差為 5℃以內時升溫稍慢但能很好地抑制超調，在溫差為 1℃以內時波動不大，滿足雷射器升溫時的性能指標。相比之下，傳統 PID 控制在溫差為 5℃以上時升溫稍慢，升溫末期存在超調量，且末期溫度穩定性稍差。兩種控制算法在預熱階段的對比數據表明，多級功率分配 PID 控制的預熱時間更短(40s 對比 55s)，升溫最大速率更高(0.25℃/s 對比 0.2℃/s)，最大超調量更小(1.5℃ 對比 0.4℃ )。

  在穩態階段試驗中，從預熱後達到的 30.8℃開啟雷射器輸出，整個試驗過程持續 430s，控溫溫度最高達到 31.6℃。試驗數據顯示，整個控溫過程存在溫度的整體上升與小幅度波動，這主要是由於傳熱過程的滯後性、熱敏電阻採集誤差、雷射器箱壁較厚以及相變熱管中相變材料吸熱升溫等因素導致的。但整個過程中溫度波動範圍可控，並且在相變熱管末期上升至 52℃時仍能保持冷端溫度可控。傳統 PID 控制在溫度波動及熱量控制上存在缺陷，在小溫差範圍內的穩定性與大溫差範圍的速度性存在矛盾。兩種控制算法在穩態階段的對比數據顯示，多級功率分配 PID 控制的保持時間更長(430s 對比 300s)，溫度穩定性更好(±1℃ 對比 ±2℃)，最大電流更小(5.9A 對比 8.6A)。

  綜合試驗結果可知，採用多級功率分配 PID 控制策略能夠提升熱控穩定時間、增大溫度穩定性、縮短預熱時間，顯著提升了雷射器熱控系統的性能。

  綜上所述，針對大功率雷射器熱管理中快速響應與高精度控溫的雙重需求，基於直流電機驅動晶片的雙向換向 TEC 控制方案展現出了極大的優勢。通過重構 TEC 驅動電路拓撲，實現了單晶片架構下雙向大電流的快速切換，結合多級功率分配 PID 算法，有效提升了動態響應速度與穩態控制精度。在 400W 熱耗場景下，該系統預熱階段升溫速率提升 30%，穩態控溫精度達 1℃，亞秒級閉環控制周期抑制了熱慣性導致的超調震盪。相較於傳統方案，其在集成度、能效比與適應性方面優勢明顯，不僅為 1064nm 高功率雷射器提供了可靠的熱管理支持，還可拓展至光纖雷射加工、醫療雷射設備等對熱控要求嚴苛的領域。未來，隨著對算法魯棒性的進一步優化以及對多 TEC 陣列協同控制的探索，有望為更大功率雷射系統的熱控難題提供更具普適性的解決方案，推動雷射器行業在熱控技術領域不斷向前發展。

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