提高激光器稳定性的控制装置及其方法与流程

本发明涉及一种提高激光器稳定性的控制装置及其方法。

背景技术：

目前，激光器在切割、钻孔、打标等领域得到了广泛的应用。国内研发生产多种类激光器的厂家如春笋般涌出，在工艺成熟的前提下，激光器的性能得到了较多的关注，尤其是其稳定性。激光器的稳定性与很多因素有关，其中电控系统的性能起着关键的作用。由于激光器输出光脉冲的频率和trigger信号的频率一致,因此在实际应用中，大多数客户会倾向于使用外部trigger控制。这种方式对于生产加工来说，优点是灵活性强、操作简单、可控性好，缺点是若用户参数设置不当，频率低于正常工作范围时，激光单脉冲峰值功率会高于光学元件的损伤阈值，这样会导致激光腔内光学元件的损伤。另外，激光器在实际应用中，激光首脉冲也能达到很高的峰值功率，同样会导致激光腔内光学元件的损伤。因此如何提高整个激光器系统的稳定性，成为了很多激光器厂商的难题。

针对上述问题，光学设计选型时可以选择高损伤阈值的光学元件，这样可以承受更高峰值功率的光脉冲，这种方式理论上可行，但从目前的光学元件制作工艺来说，国内这方面的技术还有待进一步突破，从生产成本和维护费用来说会比较高昂。因此，如何从电控方面来有效避免高峰值功率光脉冲的生成，具有很重要的意义。

技术实现要素：

本发明的目的是克服现有技术存在的不足，提供一种提高激光器稳定性的控制装置及其方法。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：

提高激光器稳定性的控制装置，特点是：包括

基准时钟，用以产生基础时钟信号；

控制单元，根据基准时钟产生的基础时钟信号以及外部控制接口输入的trigger信号输出调制脉冲信号至声光调制器；

声光调制器，根据调制脉冲信号调制输出激光脉冲；

所述基准时钟连接控制单元，控制单元连接声光调制器。

进一步地，上述的提高激光器稳定性的控制装置，其中，所述基准时钟是可产生10mhz～1ghz基础时钟信号的晶振。

进一步地，上述的提高激光器稳定性的控制装置，其中，所述控制单元具有用于逻辑时序控制和控制管理的fpga芯片。

进一步地，上述的提高激光器稳定性的控制装置，其中，所述fpga芯片是型号为ep4ce6e22i7的芯片。

进一步地，上述的提高激光器稳定性的控制装置，其中，所述控制单元设有用于连接远程控制装置的rs232接口和i/o接口。

进一步地，上述的提高激光器稳定性的控制装置，其中，所述控制单元设有用于接入trigger信号的外部控制接口。

本发明提高激光器稳定性的控制方法，包括以下步骤：

(1)选取控制单元为外部控制trigger模式，控制单元接收来自外部控制接口的trigger信号；

(2)控制单元在基准时钟的时钟信号驱动下捕获外部控制trigger信号，根据时钟信号实时采样trigger信号；

(3)控制单元根据trigger信号输出与trigger信号同频率的调制脉冲信号至声光调制器；

(4)声光调制器根据调制脉冲信号调制输出激光脉冲。

更进一步地，上述的提高激光器稳定性的控制方法，其中，步骤(1)，控制单元有两种工作模式，一种是内部控制模式，此模式不需要检测trigger信号的频率和占空比，trigger信号是通过i/o接口输入到控制单元；

另一种是外部控制trigger模式，trigger信号是通过外部控制接口输入，此模式需要检测外部控制的trigger信号的频率及占空比，同时此模式中占空比模式有两种，分别是固定模式和复制模式，固定模式是指输出调制脉冲信号的占空比为一定值，定值范围在1％～99％，复制模式是指输出脉冲调制信号和trigger信号一样，同样的频率和占空比。

更进一步地，上述的提高激光器稳定性的控制方法，其中，步骤(2)，控制单元的芯片接收基准时钟的时钟信号，同时以时钟信号的频率实时采样trigger信号，并记录当前trigger信号的上升沿时刻、下降沿时刻以及下一个trigger信号上升沿时刻，获得这三个参数后，控制单元的芯片可计算出当前trigger信号的周期、频率和占空比；当前的trigger信号的周期等于下一个trigger信号的上升沿时刻减去当前trigger信号的上升沿时刻，当前trigger信号的频率等于当前trigger信号周期分之一，当前trigger信号的占空比等于当前trigger信号的高电平的时间除以当前trigger信号的周期，当前trigger信号的高电平的时间等于当前trigger信号的下降沿时刻减去当前trigger信号的上升沿时刻；

然后，控制单元的芯片判别当前trigger信号的频率是否在10khz～10000khz范围内，若在这个范围内，则符合频率要求，复制输出当前trigger信号；若不在上述范围，则屏蔽当前trigger信号；复制输出当前trigger信号后，再根据占空比模式决定输出调制脉冲信号。

更进一步地，上述的提高激光器稳定性的控制方法，其中，所述控制单元的芯片为fpga芯片。

本发明与现有技术相比具有显著的优点和有益效果，具体体现在以下方面：

①本发明实现滤除不符合要求的trigger信号，避免因频率超出范围而产生高峰值功率光脉冲，同时还实现通过调节调制脉冲信号占空比避免激光首脉冲的实现，避免产生高峰值功率光脉冲；

②使用过程中没有高峰值功率的光脉冲生成，可以实现动态实时检测出外部trigger信号的频率和占空比，屏蔽掉不符合要求的trigger信号；

③根据拟合曲线方程，可实现首个调制脉冲信号占空比的调节，依此来达到抑制首个高峰值功率光脉冲的生成；

④通过远程设置可任意调节调制脉冲信号的占空比，固定占空比后，达到同频率下的输出光脉冲峰值功率相同；

⑤有效解决了因外部trigger信号问题而引起的高峰值功率光脉冲损坏光学元件的问题；显著提高激光器运行的稳定性，大大延长激光器的使用寿命。

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明具体实施方式了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1：本发明的原理结构示意图；

图2：时钟信号、trigger信号、调制脉冲信号以及激光脉冲的时序图；

图3：实际测得的占空比对应峰值功率数据拟合出的曲线图。

图中各附图标记的含义见下表：

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本发明的描述中，方位术语和次序术语等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

如图1所示，提高激光器稳定性的控制装置，包括

基准时钟2，用以产生基础时钟信号；

控制单元1，根据基准时钟产生的基础时钟信号以及外部控制接口输入的trigger信号输出调制脉冲信号至声光调制器3；

声光调制器3，根据调制脉冲信号调制输出激光脉冲；

基准时钟2连接控制单元1，控制单元1连接声光调制器3。

其中，基准时钟2是可产生10mhz～1ghz基础时钟信号的晶振。

控制单元1具有用于连接远程控制装置4的rs232接口102和i/o接口103，具有用于接入trigger信号的外部控制接口104。

控制单元1具有用于逻辑时序控制和控制管理的fpga(field-programmablegatearray)芯片101，可采用型号为ep4ce6e22i7的芯片。fpga芯片101接收来自外部控制接口104的trigger信号，fpga芯片101根据时钟信号实时采样trigger信号，最后输出与trigger信号同频率的调制脉冲信号，调制脉冲信号输入到声光调制器3后产生激光脉冲，过程中调制脉冲信号的占空比可根据实际需要由远程控制装置4来调节。

本发明提高激光器稳定性的控制方法，包括以下步骤：

(1)通过远程控制装置4选取控制单元的外部控制trigger模式，外部控制接口104输入trigger信号给控制单元的fpga芯片；

(2)控制单元1的fpga芯片在基准时钟2的时钟信号驱动下捕获外部控制trigger信号，根据时钟信号实时采样trigger信号；

(3)控制单元1根据trigger信号输出与trigger信号同频率的调制脉冲信号至声光调制器3；

(4)声光调制器3根据调制脉冲信号调制输出激光脉冲。

其中，步骤(1)，控制单元1有两种工作模式，一种是内部控制模式，此模式不需要检测trigger信号的频率和占空比，trigger信号是通过i/o接口输入到控制单元；另一种是外部控制trigger模式，trigger信号是通过外部控制接口输入，此模式需要检测外部控制的trigger信号的频率及占空比，同时此模式中占空比模式有两种，分别是固定模式和复制模式，固定模式是指输出调制脉冲信号的占空比为一定值，定值范围在1％～99％，复制模式是指输出脉冲调制信号和trigger信号一样，同样的频率和占空比。

步骤(2)，控制单元1的fpga芯片101接收基准时钟2的时钟信号，同时以时钟信号的频率实时采样trigger信号，并记录当前trigger信号的上升沿时刻、下降沿时刻以及下一个trigger信号上升沿时刻，获得这三个参数后，控制单元1的fpga芯片101可计算出当前trigger信号的周期、频率和占空比；当前的trigger信号的周期等于下一个trigger信号的上升沿时刻减去当前trigger信号的上升沿时刻，当前trigger信号的频率等于当前trigger信号周期分之一，当前trigger信号的占空比等于当前trigger信号的高电平的时间除以当前trigger信号的周期，当前trigger信号的高电平的时间等于当前trigger信号的下降沿时刻减去当前trigger信号的上升沿时刻；然后，控制单元的fpga芯片101判别当前trigger信号的频率是否在10khz～10000khz范围内，若在这个范围内，则符合频率要求，复制输出当前trigger信号；若不在上述范围，则屏蔽当前trigger信号；复制输出当前trigger信号后，再根据占空比模式决定输出调制脉冲信号。

上述步骤中，时钟信号、trigger信号、调制脉冲信号以及激光脉冲在时序上可以通过图2来表示。从图2可以看出：fpga芯片101在时钟信号的驱动下，实时检测trigger信号，输出的调制信号滞后于trigger信号一个当前周期，输出激光脉冲个数和调制信号一一对应。

本发明还可对输出的调制脉冲信号序列中第一个脉冲信号的占空比进行调节。

在同频率下不同的占空比能控制激光脉冲的峰值功率，占空比越大峰值功率越低。因此调节规则是这样的：首先实际测量出同频率下输出峰值功率对应的占空比，拟合出峰值功率对应占空比图，并得出拟合曲线方程，然后根据期望的输出峰值功率，通过拟合曲线方程计算出调制脉冲信号的占空比。如图3，是调制脉冲信号在50khz条件下，根据实际测得的占空比对应峰值功率数据拟合出的曲线图，从图3可以看出占空比越大，输出峰值功率越低。根据期望的峰值功率，通过拟合曲线方程求出占空比，即可实现在同频率下，任意固定峰值功率的输出激光脉冲。

本发明为解决因激光腔内光学元件容易受高峰值功率的光脉冲损伤而引起的稳定性问题，从电控的角度提供了一种可提高激光器稳定性的控制装置及其方法，实现滤除不符合要求的trigger信号，避免因频率超出范围而产生高峰值功率光脉冲，在此同时还实现通过调节调制脉冲信号占空比避免激光首脉冲的实现，同样能避免产生高峰值功率光脉冲。

其效果非常明显，使用过程中没有高峰值功率的光脉冲生成，凸显出以下几方面的优点：

1)可以实现动态实时检测出外部trigger信号的频率和占空比，屏蔽掉不符合要求的trigger信号；

2)根据拟合曲线方程，可以实现首个调制脉冲信号占空比的调节，依此来达到抑制首个高峰值功率光脉冲的生成；

3)通过远程设置可任意调节调制脉冲信号的占空比，固定占空比后，达到同频率下的输出光脉冲峰值功率相同；

4)有效解决了因外部trigger信号问题而引起的高峰值功率光脉冲损坏光学元件的问题；

5)显著提高激光器运行的稳定性，大大延长激光器的使用寿命。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

上述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求所述的保护范围为准。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。