CN103904548A - 激光功率稳定控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及激光技术领域，提供一种激光功率稳定控制方法及系统。该方法包括：设置1/2波片，接收激光单元输出的线偏振光；设置偏振分束器，接收1/2波片的输出，透射其水平方向偏振光形成输出激光、反射其垂直方向偏振光；获取输出激光的功率输出比值与1/2波片旋转角度的函数关系；对输出激光功率进行反馈控制。本发明通过1/2波片、偏振分束器与激光单元的配合，实现激光输出功率随1/2波片的旋转而在0-100%范围内的连续变化；通过对输出激光功率的反馈控制，保证了激光功率的稳定输出。

Description

激光功率稳定控制方法及系统

技术领域

本发明涉及激光技术领域，尤其涉及激光功率稳定的控制方法及系统。

背景技术

激光功率的稳定性对于高精密加工行业至关重要。激光加工设备的功率稳定性主要与激光光源及光路系统的稳定性密切相关，激光器由于内部工作状态、使用寿命及外部环境等因素的变化导致输出功率的变化，而光路系统也会因为器件的老化，环境灰尘引起的污染而导致加工功率衰减，这些变化直接导致加工工件品质下降，不良率上升。

因此，有必要对激光器及光路系统的功率进行实时监控，实现功率的自动反馈及调节补偿功能，保证设备的长期功率稳定性。

公开号为CN102487175的中国专利申请公开了一种用于稳定输出低功率激光的激光输出方法。该申请中，激光输出元件输出的线偏振光经1/4波片得到透射激光；透射激光经偏振分光元件后，得到垂直偏振光及水平偏振光；1/4波片的晶轴与线偏振光的夹角连续变化，使得透射激光的偏振度连续变化；透射激光的偏振度连续变化地输入偏振分光元件，使得偏振分光元件所输出的水平偏振光的功率连续变化；在加工平面前利用激光功率计测试激光功率，旋转1/4波片的晶轴角度，使测得的激光功率达到激光加工应用的要求，即可进行激光加工。

如图1所示，当1/4波片旋转至其快（慢）轴与入射线偏振光的偏振方向一致时，出射光仍为线偏振光，且其偏振方向不改变，该出射光如果为水平偏振，则经偏振分光元件后全部透射，即激光输出功率为100%，该出射光如果为垂直偏振，则经偏振分光元件后全部反射，即激光输出功率为0；当1/4波片旋转至其快（慢）轴与入射线偏振光的偏振方向成45°角的奇数倍时，出射光为圆偏振光，该出射光经偏振分光元件后水平和垂直方向的分量相等，实现50%分光；当1/4波片旋转至其快（慢）轴与入射线偏振光的偏振方向成其他任意角时，出射光为椭圆偏振光，该出射光经偏振分光元件后水平和垂直方向上均有分量，透射和反射均有能量输出。

激光器一旦确定，入射线偏振光的偏振方向也就确定。结合上述内容，入射线偏振光为水平偏振时，激光输出功率的变化范围为50%-100%，入射线偏振光为垂直偏振时，激光输出功率的变化范围为0-50%，如下表所示：

因此，虽然可以通过旋转1/4波片的晶轴角度获得输出功率连续变化的激光，但其输出功率的变化范围是有限的，只能是0-50%或50%-100%，而无法实现0-100%范围的变化。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种激光功率稳定控制方法及系统，能够对激光输出功率实现更大范围的调整。

为解决该问题，本发明提供一种激光功率稳定控制方法，包括以下步骤：

设置1/2波片，接收激光单元输出的线偏振光；

设置偏振分束器，接收1/2波片的输出，透射其水平方向偏振光形成输出激光、反射其垂直方向偏振光；

获取输出激光的功率输出比值与1/2波片旋转角度的函数关系；

对输出激光功率进行反馈控制。

进一步地，所述获取输出激光的功率输出比值与1/2波片旋转角度函数关系的步骤包括：

旋转1/2波片，记录其不同旋转角度值及各角度值所对应的功率输出比值；

对采集到的角度值及功率输出比值进行三次样条插值计算，确定功率输出比值与旋转角度的函数关系式。

进一步地，所述对输出激光功率进行反馈控制的步骤包括：

设定目标功率值、初始功率输出比值、及功率误差范围；

读取当前功率值；

判断当前功率与目标功率的差值是否在功率误差范围内；

若否，调整1/2波片的旋转角度。

进一步地，所述调整1/2波片旋转角度的步骤包括：

根据目标功率值、当前功率值及初始功率输出比值计算目标功率输出比值；

根据功率输出比值与1/2波片旋转角度的函数关系计算目标角度；

旋转1/2波片至目标角度。

进一步地，所述目标功率输出比值=目标功率值/当前功率值×初始功率输出比值。

本发明同时提供一种激光功率稳定控制系统，包括：

1/2波片，用于接收激光单元输出的线偏振光；

偏振分束器，用于接收1/2波片的输出，透射其水平方向偏振光形成输出激光、反射其垂直方向偏振光；

函数获取模块，用于获取输出激光的功率输出比值与1/2波片旋转角度的函数关系；

反馈控制模块，用于对输出激光功率进行反馈控制。

进一步地，所述函数获取模块包括：

数据采集模块，用于采集1/2波片不同旋转角度值及各角度值所对应的功率输出比值；

函数计算模块，用于对采集到的角度值及功率输出比值进行三次样条插值计算，确定功率输出比值与旋转角度的函数关系式。

进一步地，所述数据采集模块包括：

光束取样镜，用于对所述输出激光进行取样；

激光功率探头，用于将光束取样镜获取的光信号转换为电信号。

进一步地，所述反馈控制模块包括：

参数设定模块，用于设定目标功率值、初始功率输出比值、及功率误差范围；

功率读取模块，用于读取当前功率值；

误差判断模块，用于判断当前功率与目标功率的差值是否在功率误差范围内；

角度调整模块，用于在当前功率不满足功率误差要求时，计算目标功率输出比值及其所对应的目标角度，并控制1/2波片旋转至目标角度。

进一步地，该控制系统还包括遮光座，用于收集偏振分束器所反射的垂直方向偏振光。

与现有技术相比，本发明通过设置1/2波片接收激光单元输出的线偏振光、设置偏振分束器接收1/2波片的输出，透射其水平方向偏振光形成输出激光，反射其垂直方向偏振光，实现激光输出功率随1/2波片的旋转而在0-100%范围内的连续变化；通过对输出激光功率的反馈控制，保证了激光功率的稳定输出。

附图说明

图1为现有技术所采用1/4波片的原理图；

图2为本发明激光功率稳定控制系统的结构示意图；

图3为本发明函数获取模块与反馈控制模块工作流程示意图；

图4为本发明激光功率稳定控制方法的流程示意图。

具体实施方式

以下结合附图及实施例，对本发明进行详细说明。

如图2所示，本发明的激光功率稳定控制系统包括：激光单元101、1/2波片102、电机103、偏振分束器104、遮光座105。

激光单元101可以是单一的激光器，也可以是包括多种光学器件的光路系统，只要保证该单元输出的激光是线偏振光即可。

1/2波片102接收激光单元101的输出，其与1/4波片不同的是，线偏振光入射到1/2波片后，其出射光仍为线偏振光，只是出射光的偏振方向发生了改变。假设入射线偏振光偏振方向与1/2波片光轴的夹角为a，则出射线偏振光偏振方向较入射线偏振光偏振方向旋转2a角，即出射线偏振光的偏振角度为2a。

1/2波片102与电机103连接，通过电机103带动其旋转。

偏振分束器104接收1/2波片102的输出，透射其水平方向偏振光作为输出激光，反射其垂直方向偏振光。遮光座105设置于偏振分束器104反射光方向，用于收集垂直方向偏振光，阻止其传输。电机103带动1/2波片2旋转时，入射到偏振分束器104上线偏振光的水平及垂直分量发生连续变化，偏振分束器104的透射光与反射光功率也相应变化，从而实现了分光比例的连续变化，亦即实现了输出激光功率的连续变化。

以下对1/2波片102旋转至不同角度时，分光比例的变化情况进行详细描述：

设置1/2波片102位于0度时，激光单元101输出线偏振光的偏振方向为水平方向，经过1/2波片102后仍为水平偏振光，进入偏振分束器104时，全部透射；

1/2波片102旋转90度，激光单元101输出线偏振光的偏振方向为垂直方向，经过1/2波片102后仍为垂直偏振光，进入偏振分束器104时，全部反射；

当激光单元101输出线偏振光的偏振方向与1/2波片102快(慢)轴成22.5°角的奇数倍时，出射线偏振光以45°角的奇数倍进入偏振分束器104，此时水平和垂直方向上分量相等，实现50%分光；

当激光单元101输出线偏振光的偏振方向与1/2波片102快(慢)轴成其他角度时，进入偏振分束器104的光在水平和垂直方向上均有分量，透射和反射均有能量输出；

旋转1/2波片102一周，输出功率随角度的变化情况如下表所示：

角度	透射（%）	反射（%）
			0	100	0
22.5	50	50
			45	0	100
67.5	50	50
			90	100	0
112.5	50	50
			135	0	100
157.5	50	50
			180	100	0
202.5	50	50
			225	0	100
247.5	50	50
			270	100	0
292.5	50	50
			315	0	100
337.5	50	50
			360	100	0

由以上分析可知，连续旋转1/2波片102则可实现透射光和反射光分光比例的连续变化，且该分光比例的变化范围为0-100%，即输出激光功率的变化范围为0-100%。相较于现有采用1/4波片只能实现输出功率0-50%或50%-100%调整的方案，显然采用1/2波片在功率调节范围方面更具优势，对于工艺应用中激光参数的调节也更加灵活。

同时由于采用1/4波片时，输出功率从50%调整到100%或从0调整到50%，波片均需旋转45度；而采用1/2波片时，输出功率同样从50%调整到100%或从0调整到50%，，波片只需旋转22.5度，如果采用相同速率的电机进行控制，显然后者的控制效率较前者提高了一倍。

如图2所示，本发明的激光功率稳定控制系统还包括：函数获取模块2及反馈控制模块3。函数获取模块2，用于获取输出激光的功率输出比值与1/2波片102旋转角度的函数关系，从而可以通过调整1/2波片102的旋转角度实现对输出激光功率的精确控制；反馈控制模块3，用于对输出激光功率进行反馈控制，根据输出激光功率值的大小调整1/2波片102的旋转角度，以保证输出激光功率稳定在目标功率范围内。

以下结合图2、图3对上述两模块作进一步的描述：

函数获取模块2包括：数据采集模块及函数计算模块。

电机103带动1/2波片102旋转，数据采集模块记录下1/2波片102旋转至不同角度θ时所对应的功率输出比值R，即可得到一组离散数据；函数计算模块对该组离散数据进行三次样条插值计算，即可确定功率输出比值R与1/2波片102旋转角度θ的函数关系式R=f(θ)。离散数据量的多少根据实际需要确定，理论上离散数据越多，计算越精确，但数据采集及计算处理时间较长。

数据采集模块包括：光束取样镜201及激光功率探头202。光束取样镜201是一种非偏振分束镜，用于对偏振分束器104的透射光即输出激光进行取样，输出激光经光束取样镜201后，绝大部分光反射用于加工，小部分光透射用于功率取样，其分束比例一般为98:2。激光功率探头202，用于将光束取样镜201获取的光信号转换为电信号，根据该电信号即可计算出功率输出比值R，同时该电信号还作为反馈控制模块3的反馈信号。

反馈控制模块3包括：参数设定模块、功率读取模块、误差判断模块、以及角度调整模块。

首先通过参数设定模块设定目标功率值P₁，初始功率输出比值R₁，初始角度θ₁及功率误差范围±ΔP₁；

通过功率读取模块，读取当前功率值P₂；

由误差判断模块计算当前功率P₂与目标功率P₁的绝对差值ΔP=│P₂-P₁│，判断ΔP是否≤ΔP₁；

当ΔP≤ΔP₁时，返回读取当前功率；

当ΔP＞ΔP₁时，角度调整模块计算目标功率输出比值R₂=P₁/P₂×R₁，并根据该比值与函数关系式R=f(θ)计算出目标角度θ₂，控制电机103带动1/2波片102旋转至目标角度θ₂，从而改变输出激光的功率，角度调整结束后返回读取当前功率。

由此实现对输出激光功率的反馈控制。在实际应用中，对输出激光功率的反馈控制可以随系统的开启而实时启动，亦可根据使用情况手动启动。

为更清楚地理解本发明的技术方案，下面对本发明激光功率稳定控制系统的工作原理举例进行说明。

假定激光器初始工作时功率为10w，加工所需稳定功率为8w，即目标功率值P₁为8w，相应地，其初始功率输出比值R₁为8/10=0.8，通过函数获取模块2所得功率输出比值R与1/2波片102旋转角度θ的函数关系式R=f(θ)，即可得到功率输出比值为0.8时1/2波片102对应的旋转角度，即初始角度θ₁，将1/2波片设定在其初始角度，整个系统即可按照需求开始工作。

随着系统工作时间的积累，激光器功率受到各种因素的影响会逐渐降低，相应地其输出功率也会降低。假定系统工作一段时间后测得其输出功率为7.5w，即当前功率值P₂为7.5w，则此时激光器功率实际为P₂/R₁=7.5/0.8=9.375w。如果要保证在激光器功率下降的情况下，仍然维持8w的输出功率，可以通过对1/2波片的旋转角度进行调整，从而调整功率输出比值。目标功率输出比值R₂应为P₁/（P₂/R₁）=P₁/P₂×R₁=8/9.375=0.85，根据该比值及函数关系式R=f(θ)即可计算出1/2波片的目标旋转角度θ₂，控制电机103带动1/2波片102旋转至目标角度θ₂，即可得到8w的输出功率，由此实现了激光功率的稳定输出。

如图4所示，为本发明激光功率稳定控制方法的流程图，其步骤如下：

设置1/2波片，接收激光单元输出的线偏振光；

设置偏振分束器，接收1/2波片的输出，透射其水平方向偏振光形成输出激光、反射其垂直方向偏振光；

获取输出激光的功率输出比值与1/2波片旋转角度的函数关系；

对输出激光功率进行反馈控制。

其中获取输出激光的功率输出比值与1/2波片旋转角度函数关系的步骤包括：

旋转1/2波片，记录其不同旋转角度值及各角度值所对应的功率输出比值；

对采集到的角度值及功率输出比值进行三次样条插值计算，确定功率输出比值与旋转角度的函数关系式。

对输出激光功率进行反馈控制的步骤包括：

设定目标功率值、初始功率输出比值、及功率误差范围；

读取当前功率值；

判断当前功率与目标功率的差值是否在功率误差范围内；

若是，返回读取当前功率值；

若否，调整1/2波片的旋转角度后返回读取当前功率值。

调整1/2波片旋转角度的步骤包括：

根据目标功率值、当前功率值及初始功率输出比值计算目标功率输出比值；

根据功率输出比值与1/2波片旋转角度的函数关系计算目标角度；

旋转1/2波片至目标角度。

其中，目标功率输出比值=目标功率值/当前功率值×初始功率输出比值。

Claims (10)

1.一种激光功率稳定控制方法，包括以下步骤：

设置1/2波片，接收激光单元输出的线偏振光；

设置偏振分束器，接收1/2波片的输出，透射其水平方向偏振光形成输出激光、反射其垂直方向偏振光；

获取输出激光的功率输出比值与1/2波片旋转角度的函数关系；

对输出激光功率进行反馈控制。

2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于：所述获取输出激光的功率输出比值与1/2波片旋转角度函数关系的步骤包括：

旋转1/2波片，记录其不同旋转角度值及各角度值所对应的功率输出比值；

对采集到的角度值及功率输出比值进行三次样条插值计算，确定功率输出比值与旋转角度的函数关系式。

3.根据权利要求1或2所述的控制方法，其特征在于：所述对输出激光功率进行反馈控制的步骤包括：

设定目标功率值、初始功率输出比值、及功率误差范围；

读取当前功率值；

判断当前功率与目标功率的差值是否在功率误差范围内；

若否，调整1/2波片的旋转角度。

4.根据权利要求3所述的控制方法，其特征在于：所述调整1/2波片旋转角度的步骤包括：

根据目标功率值、当前功率值及初始功率输出比值计算目标功率输出比值；

根据功率输出比值与1/2波片旋转角度的函数关系计算目标角度；

旋转1/2波片至目标角度。

5.根据权利要求4所述的控制方法，其特征在于：所述目标功率输出比值=目标功率值/当前功率值×初始功率输出比值。

6.一种激光功率稳定控制系统，其特征在于，包括：

1/2波片，用于接收激光单元输出的线偏振光；

偏振分束器，用于接收1/2波片的输出，透射其水平方向偏振光形成输出激光、反射其垂直方向偏振光；

函数获取模块，用于获取输出激光的功率输出比值与1/2波片旋转角度的函数关系；

反馈控制模块，用于对输出激光功率进行反馈控制。

7.根据权利要求6所述的控制系统，其特征在于，所述函数获取模块包括：

数据采集模块，用于采集1/2波片不同旋转角度值及各角度值所对应的功率输出比值；

函数计算模块，用于对采集到的角度值及功率输出比值进行三次样条插值计算，确定功率输出比值与旋转角度的函数关系式。

8.根据权利要求7所述的控制系统，其特征在于，所述数据采集模块包括：

光束取样镜，用于对所述输出激光进行取样；

激光功率探头，用于将光束取样镜获取的光信号转换为电信号。

9.根据权利要求6或7或8所述的控制系统，其特征在于，所述反馈控制模块包括：

参数设定模块，用于设定目标功率值、初始功率输出比值、及功率误差范围；

功率读取模块，用于读取当前功率值；

误差判断模块，用于判断当前功率与目标功率的差值是否在功率误差范围内；

角度调整模块，用于在当前功率不满足功率误差要求时，计算目标功率输出比值及其所对应的目标角度，并控制1/2波片旋转至目标角度。

10.根据权利要求6或7或8所述的控制系统，其特征在于，该系统还包括遮光座，用于收集偏振分束器所反射的垂直方向偏振光。

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