基于现场可编程门阵列(pfga)开机保护方法
【专利摘要】本发明提供的一种应用在主振荡功率放大(MOPA)光纤激光器系统中的基于现场可编程门阵列(PFGA)开机保护方法，具有以下步骤：步骤一：现场可编程门阵列(FPGA)控制处理单元输入种子激光启动信号；步骤二：种子激光驱动部接收到种子激光开启信号时发出种子激光驱动信号；步骤三：种子激光部接收到种子激光驱动信号时发出种子电压信号；步骤四：种子激光侧整形采样部对种子电压信号进行整形和采样；以及步骤五：FPGA(现场可编程门阵列)控制处理单元接收到种子电压信号时对种子电压信号进行计算得到种子电压信号值并与所存储的种子电压信号值阈值进行比较；以及步骤六：包含至少一个子步骤。
【专利说明】基于现场可编程门阵列(PFGA)开机保护方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种应用在主振荡功率放大(MOPA)光纤激光器系统中的基于现场可编程门阵列(PFGA)开机保护方法。
【背景技术】
[0002]光纤激光器是指以掺稀土元素的光纤为增益介质的激光器，在泵浦光的作用下形成光纤内的能级粒子束反转，产生激光输出。光纤激光器具有能量高、小型化、灵活度高等优势，同时具备免调节、免维护、高稳定性的优点，这是传统激光器无法比拟的。它也因此广泛应用于激光雕刻、激光切割、金属表面处理等众多工业领域。
[0003]在光纤激光器的诸多种类中，主振荡功率放大(MOPA)光纤激光器以可调谐的主控振荡器作为激光种子源，通过可编程芯片和调制电路驱动半导体激光器产生频率、幅度、脉宽均可调节的种子光输出，这种设计极大的增加了光纤激光器的灵活性和可控性，使其能够更好的适应不同工业应用的需求。
[0004]但是在主振荡功率放大(MOPA)光纤激光器中，由于从种子光到放大器均使用半导体激光器作为光源，而半导体激光器对回反光较为敏感，回反光过强将导致激光管损坏。产生强回反光的原因通常是某一级的光源异常导致后级产生很强的自发辐射，自发辐射在光纤中的传输是双向的，逆向传输的部分将形成强回反光。这种半导体激光器异常通常发生在开机时，因此在进行光纤激光器的整体方案设计时必须考虑到对各级半导体激光器的开机保护问题，从而保证在各级光源异常的情况下系统均能进行监测并及时保护，实现系统的可靠工作，并且保护系统关键器件。
[0005]但是目前并没有一个有效的方法在主振荡功率放大(MOPA)光纤激光器系统开机过程中可以对各级光源进行监测并及时保护。
【发明内容】
[0006]本发明的目的在于提供一种应用在主振荡功率放大(MOPA)光纤激光器系统中的基于现场可编程门阵列(PFGA)开机保护方法。
[0007]本发明提供的一种应用在主振荡功率放大(MOPA)光纤激光器系统中的基于现场可编程门阵列(PFGA)开机保护方法，具有以下步骤:步骤一:现场可编程门阵列(FPGA)控制处理单元输入种子激光启动信号；步骤二:种子激光驱动部接收到种子激光开启信号时发出种子激光驱动信号；步骤三:种子激光部接收到种子激光驱动信号时发出种子电压信号；步骤四:种子激光侧整形采样部对种子电压信号进行整形和采样；以及步骤五:FPGA(现场可编程门阵列)控制处理单元接收到种子电压信号时对种子电压信号进行计算得到种子电压信号值并与所存储的种子电压信号值阈值进行比较，当种子电压信号值大于种子电压信号值阈值时进入步骤六，当种子电压信号值小于种子电压信号值阈值时控制种子激光部关闭，输入种子激光启动信号后启动种子激光部发出种子电压信号并在对种子电压信号进行处理后进行计算和比较；以及步骤六:包含至少一个子步骤，其中，子步骤分别包含:(1)现场可编程门阵列(FPGA)控制处理单元输入放大激光启动信号；(2)数模转换部将放大激光启动信号转换为模拟启动信号；(3)信号放大部将模拟启动信号放大为放大模拟启动信号；(4)放大激光部探测到放大模拟启动信号时发出放大电压信号；(5)放大激光侧整形采样部对放大电压信号进行整形和采样；(6)模数转换部将放大电压信号转换为数字放大电压信号；以及(7)现场可编程门阵列(FPGA)控制处理单元接收到数字放大电压信号时对数字放大电压信号进行计算得到数字放大电压信号值并与所存储的数字放大电压信号值阈值进行比较，当数字放大电压信号值大于种数字放大电压信号值阈值时输出放大种子激光，当数字放大电压信号值小于数字放大电压信号值阈值时控制从当前开启的最高级放大激光部开始逐级关闭。
[0008]发明作用和效果
[0009]根据本发明所涉及基于现场可编程门阵列(PFGA)开机保护方法，当现场可编程门阵列(FPGA)控制处理单元输入种子激光启动信号后，种子激光驱动部接收到种子激光开启信号时发出种子激光驱动信号，种子激光部接收到种子激光驱动信号时发出种子电压信号，种子激光侧整形采样部对种子电压信号进行整形和采样，现场可编程门阵列(FPGA)控制处理单元接收到种子电压信号时对该信号进行计算得到种子电压信号值，并与所存储的种子电压信号值阈值进行比较，当种子电压信号值大于种子电压信号值阈值时进入下一步骤，当种子电压信号值小于种子电压信号值阈值时控制种子激光部关闭，现场可编程门阵列(FPGA)控制处理单元输入放大激光启动信号后，数模转换部将放大激光启动信号转换为模拟启动信号，信号放大部将模拟启动信号放大为放大模拟启动信号，放大激光部探测到放大模拟启动信号时发出放大电压信号，放大激光侧整形采样部对放大电压信号进行整形和采样，模数转换部将放大电压信号转换为数字放大电压信号，现场可编程门阵列(FPGA)控制处理单元接收到数字放大电压信号时对该信号进行计算得到数字放大电压信号值并与所存储的数字放大电压信号值阈值进行比较，当数字放大电压信号值大于种数字放大电压信号值阈值时输出放大种子激光，当数字放大电压信号值小于数字放大电压信号值阈值时控制从当前开启的最高级放大激光部开始逐级关闭。从而使得主振荡功率放大(MOPA)光纤激光器系统在开机过程中能够得到监测和及时保护。
【专利附图】
【附图说明】
[0010]图1是本发明在实施例中的基于现场可编程门阵列(PFGA)开机保护方法的结构框图；
[0011]图2是本发明在实施例中的现场可编程门阵列(PFGA)控制处理单元的结构框图；
[0012]图3是本发明在实施例中的保护过程时序示意图；以及
[0013]图4是本发明在实施例中的基于现场可编程门阵列(PFGA)开机保护方法的动作流程图。
【具体实施方式】
[0014]以下参照附图与实施例对本发明所涉及的基于现场可编程门阵列(PFGA)开机保护方法作详细的描述。[0015]实施例
[0016]图1是本发明在实施例中的基于现场可编程门阵列(PFGA)开机保护方法的结构框图。
[0017]如图1所示，基于现场可编程门阵列(PFGA)开机保护方法具有:种子激光发出处理单元10、第一级放大激光发出处理单元20、第二级放大激光发出处理单元和第三级放大激光发出处理单元和基于现场可编程门阵列(PFGA)控制处理单元30。
[0018]种子激光发出处理单元10包含与现场可编程门阵列(PFGA)控制处理单元30相连接的种子激光驱动部11，与种子激光驱动部11相连接的种子激光部13及与种子激光部13和现场可编程门阵列(PFGA)控制处理单元30分别相连接的种子激光侧整形采样部12。
[0019]种子激光部13包含驱动信号接收部13a、种子电压信号发出部13b及与驱动信号接收部13a和种子电压信号发出部13b分别相连接的种子激光控制部13c。
[0020]第一级放大激光发出处理单元20包含与现场可编程门阵列(PFGA)控制处理单元30相连接的第一级数模转换部21、与第一级数模转换部21相连接的第一级信号放大部22、与第一级信号放大部22相连接的第一级放大激光部25、与第一级放大激光部25相连接的第一级放大激光侧整形采样部23及与第一级放大激光侧整形采样部23和现场可编程门阵列(PFGA)控制处理单元30分别相连接的第一级模数转换部24。
[0021]第一级放大激光部25包含第一级光电探测部25a、第一级放大电压信号发出部25c及与第一级光电探测部25a和第一级放大电压信号发出部25c分别相连接的第一级放大激光控制部25b。
[0022]第二级放大激光发出处理单元和第三级放大激光发出处理单元与第一级放大激光发出处理单元25结构相通，因此省略相同的说明。
[0023]图2是本发明在实施例中的现场可编程门阵列(FPGA)控制处理单元30的结构框图。
[0024]如图2所示，现场可编程门阵列(FPGA)控制处理单元30具有启动信号发出部31、计算部32、存储部33、异常状态数据生成部34、判断部35和现场可编程门阵列(FPGA)控制部36。
[0025]启动信号发出部31,用于发出种子激光启动信号和放大激光启动信号。
[0026]计算部32，用于根据种子电压信号计算出种子电压信号值和根据数字放大电压信号计算出数字放大电压信号值。
[0027]存储部33，用于存储种子电压信号值阈值、数字放大电压值阈值和异常状态数据。
[0028]判断部35，当种子电压信号值大于种子电压信号值阈值时及当数字放大电压信号值大于数字放大电压信号值阈值时判断为正常状态、当种子电压信号值小于种子电压信号阈值时及当数字放大电压信号值小于数字放大电压信号值阈值时判断为异常状态。
[0029]异常状态数据生成部34，用于在判断为异常状态时生成异常状态数据。
[0030]现场可编程门阵列(FPGA)控制部36，与种子激光驱动出部11、种子激光侧整形采样部12、第一级数模转换部21、第一级模数转换部24、计算部32、存储部33、异常状态数据生成部34和判断部35分别相连接，当判断为正常状态时控制下一级放大激光发出处理单元启动和当判断为异常状态时控制当前开启的最高级放大激光发出处理单元关闭并控制异常状态数据生成部34生成异常状态数据。[0031]图3是本发明在实施例中的保护过程时序示意图。
[0032]主振荡功率放大(MOPA)光纤激光器系统最终由板卡(用于配置光纤激光器的参数和开关状态)送出的主振荡开启(MO)信号和功率放大开启(AP)信号经过现场可编程门阵列(FPGA)之后控制，主振荡开启(MO)信号控制种子激光部13、第一级放大激光部25和第二级放大激光部启动，功率放大开启(AP)信号控制第三级放大激光部启动，主振荡开启(MO)信号和功率放大开启(AP)信号的时序关系如图3所不。
[0033]图中T1+T2+T3时间要小于主振荡开启(MO)信号和功率放大开启(AP)信号开启间隔 T，其中 Tl、T2 和 T3 为 100 μ S，T 为 500 μ S。
[0034]开启过程:
[0035]A:主振荡开启(MO)信号输入之后，在A点立即启动种子激光部13。
[0036]B:种子源工作Tl时间之后，在B点先检测到种子激光部13工作正常情况下，立即启动第一级放大激光部25的三分之一最大功率，然后在BI点再配置到三分之二最大功率，最后在Β2点再配置到第一级放大激光部25的最大功率。本方案中每一级放大激光部开启均不是直接从O设定到最大值，而是采用三段式阶梯启动。这种设计可以保护半导体激光器免受开机过冲而损坏。
[0037]C:第一级放大激光部25工作Τ2时间之后，在C点先检测到种子激光部13和第一级放大激光部25工作都正常情况下，采用三段式启动第二级放大激光部。
[0038]D:第二级放大激光部工作Τ3时间之后，在D点先检测到种子激光部13、第一级放大激光部25和第二级放大激光部都工作正常情况下，启动第三级放大激光部工作在百分之十的最大功率，等待允许率放大开启(APenable)信号。
[0039]E:在E点当允许率放大开启(AP enable)信号到来时，立即配置第三级放大激光部工作在板卡控制的功率进行打标。
[0040]在以上流程中，如果在任意检测点发现异常，则进入紧急关闭过程。按开机流程的逆向顺序对各级激光器逐级关闭。以第三级放大激光部异常为例
[0041]关闭过程:
[0042]D':任何一级出现异常时，现场可编程门阵列(FPGA)控制部36立刻关闭第三级放大激光部。
[0043]C':在关闭第三级放大激光部200ms之后到达C'，关闭第二级放大激光部。
[0044]B':在关闭第二级放大激光部再过200ms之后到达B'，关闭第一级放大激光部25。
[0045]A':在关闭第一级预放再过200ms之后到达A'，关闭种子激光部13。
[0046]图4是本发明在实施例中的基于现场可编程门阵列(PFGA)开机保护方法的动作流程图。
[0047]如图4所示，基于现场可编程门阵列(PFGA)开机保护方法的动作流程，包括如下步骤:
[0048]步骤SI:
[0049]主振荡开启(MO)信号输入后，进入步骤S2。
[0050]步骤S2:
[0051]种子激光部13开启后，进入步骤S3。
[0052]步骤S3:[0053]检测种子电压信号值，正常，进入步骤S4 ;异常，关闭种子激光部13。
[0054]步骤S4:
[0055]第一级放大激光部开启，进入步骤S5。
[0056]步骤S5:
[0057]检测放大电压信号值，正常，进入步骤S6 ;异常，关闭第一级放大激光部。
[0058]步骤S6:
[0059]第二级放大激光部开启，进入步骤S7。
[0060]步骤S7:
[0061]检测放大电压信号值，正常，进入步骤S8 ;异常，关闭第二级放大激光部。
[0062]步骤S8:
[0063]功率放大开启(AP)信号输入，进入步骤S9。
[0064]步骤S9:
[0065]第三级放大激光部开启。
[0066]结合图1的结构和图4的方法进行具体的说明。
[0067]当现场可编程门阵列(FPGA)控制处理单元30输入种子激光启动信号后，种子激光驱动部11接收到种子激光开启信号时发出种子激光驱动信号，种子激光部13中的驱动信号接收部13a接收到种子激光驱动信号时，种子激光控制部13c控制种子电压信号发出部13b发出种子电压信号，种子激光侧整形采样部12对种子电压信号进行整形和采样，现场可编程门阵列(FPGA)控制处理单元30接收到种子电压信号时对该信号进行计算得到种子电压信号值，并与所存储的种子电压信号值阈值进行比较，当种子电压信号值大于种子电压信号值阈值时进入下一步骤，当种子电压信号值小于种子电压信号值阈值时控制种子激光部13关闭，现场可编程门阵列(FPGA)控制处理单元30输入放大激光启动信号后，第一级数模转换部21将放大激光启动信号转换为模拟启动信号，第一级信号放大部22将模拟启动信号放大为放大模拟启动信号，第一级光电探测部25a探测到放大模拟启动信号时第一级放大激光控制部25b控制第一级放大电压信号发出部25c发出放大电压信号，第一级放大激光侧整形采样部23对放大电压信号进行整形和采样，第一级模数转换部24将放大电压信号转换为数字放大电压信号，现场可编程门阵列(FPGA)控制处理单元30接收到数字放大电压信号时对该信号进行计算得到数字放大电压信号值并与所存储的数字放大电压信号值阈值进行比较，当数字放大电压信号值大于种数字放大电压信号值阈值时输出放大种子激光并开启下一级放大激光发出处理单元，当数字放大电压信号值小于数字放大电压信号值阈值时控制从当前开启的最高级放大激光部开始逐级关闭。第二级放大激光发出处理单元和第三级放大激光发出处理单元的开启过程与第一级放大激光发出处理单元相同，因此省略相同的说明。
[0068]实施例的作用与效果
[0069]根据本发明所涉及基于现场可编程门阵列(PFGA)开机保护方法，当现场可编程门阵列(FPGA)控制处理单元输入种子激光启动信号后，种子激光驱动部接收到种子激光开启信号时发出种子激光驱动信号，种子激光部接收到种子激光驱动信号时发出种子电压信号，种子激光侧整形采样部对种子电压信号进行整形和采样，现场可编程门阵列(FPGA)控制处理单元接收到种子电压信号时对该信号进行计算得到种子电压信号值，并与所存储的种子电压信号值阈值进行比较，当种子电压信号值大于种子电压信号值阈值时进入下一步骤，当种子电压信号值小于种子电压信号值阈值时控制种子激光部关闭，现场可编程门阵列(FPGA)控制处理单元输入放大激光启动信号后，数模转换部将放大激光启动信号转换为模拟启动信号，信号放大部将模拟启动信号放大为放大模拟启动信号，放大激光部探测到放大模拟启动信号时发出放大电压信号，放大激光侧整形采样部对放大电压信号进行整形和采样，模数转换部将放大电压信号转换为数字放大电压信号，现场可编程门阵列(FPGA)控制处理单元接收到数字放大电压信号时对该信号进行计算得到数字放大电压信号值并与所存储的数字放大电压信号值阈值进行比较，当数字放大电压信号值大于种数字放大电压信号值阈值时输出放大种子激光，当数字放大电压信号值小于数字放大电压信号值阈值时控制从当前开启的最高级放大激光部开始逐级关闭。还能够在判断为异常状态时生成并存储异常状态数据。从而使得主振荡功率放大(MOPA)光纤激光器系统在开机过程中能够得到监测和及时保护并对异常状态数据进行存储。
[0070]上述实施例为本发明的优选案例，并不用来限制本发明的保护范围。
【权利要求】
1.一种应用在主振荡功率放大(MOPA)光纤激光器系统中的基于现场可编程门阵列(PFGA)开机保护方法，具有以下步骤: 步骤一，现场可编程门阵列(FPGA)控制处理单元输入种子激光启动信号； 步骤二，种子激光驱动部接收到所述种子激光开启信号时发出种子激光驱动信号； 步骤三，种子激光部接收到所述种子激光驱动信号时发出种子电压信号； 步骤四，种子激光侧整形采样部对所述种子电压信号进行整形和采样； 以及 步骤五，FPGA(现场可编程门阵列)控制处理单元接收到所述种子电压信号时对所述种子电压信号进行计算得到种子电压信号值并与所存储的种子电压信号值阈值进行比较，当所述种子电压信号值大于所述种子电压信号值阈值时进入所述步骤六，当所述种子电压信号值小于所述种子电压信号值阈值时控制所述种子激光部关闭， 输入种子激光启动信号后启动种子激光部发出种子电压信号并在对所述种子电压信号进行处理后进行计算和比较；以及步骤六，包含至少一个子步骤， 其中，所述子步骤，分别包含: (1)所述现场可编程门阵列(FPGA)控制处理单元输入放大激光启动信号； (2)数模转换部将所述放大激光启动信号转换为模拟启动信号； (3)信号放大部将所述模拟启动信号放大为放大模拟启动信号； (4)放大激光部探测到所述放大模拟启动信号时发出放大电压信号； (5)放大激光侧整形采样部对所述放大电压信号进行整形和采样； (6)模数转换部将所述放大电压信号转换为数字放大电压信号；以及 (7)现场可编程门阵列(FPGA)控制处理单元接收到所述数字放大电压信号时对所述数字放大电压信号进行计算得到数字放大电压信号值并与所存储的数字放大电压信号值阈值进行比较，当所述数字放大电压信号值大于所述种数字放大电压信号值阈值时输出放大种子激光，当所述数字放大电压信号值小于所述数字放大电压信号值阈值时控制从当前开启的最高级所述放大激光部开始逐级关闭。
【文档编号】H01S3/09GK104037602SQ201410250757
【公开日】2014年9月10日 申请日期:2014年6月6日 优先权日:2014年6月6日
【发明者】陈杰, 曾和平 申请人:上海理工大学