CN105846288A - 激光器首脉冲抑制的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种激光器首脉冲抑制的方法，该方法是一种特别设计的调Q驱动波形，可通过调节高压脉冲宽度来控制输出脉冲能量大小。该方法可以通过以下技术方案来实现：脉冲调制波形生成器、高压恒压源、高速开关模块、电光调Q振荡器、激光功率放大器、脉冲选择器。本发明能解决激光器的首脉冲问题，并且能同时解决激光器中振荡器和放大器的首脉冲抑制问题，最终使得经振荡器输出的脉冲激光和经放大器输出的脉冲激光都具有一致的能量。

Description

激光器首脉冲抑制的控制方法

技术领域

本发明涉及激光技术领域，尤其涉及一种激光器首脉冲抑制的控制方法。

背景技术

激光器在工业领域应用越来越广泛，尤其是在精细加工方面，比如玻璃，陶瓷等硬脆材料切割打孔，太阳能电池，PCB，FPC板加工，金属加工等。与传统加工手段相比，激光器具有精密，准确，迅速的优势。

调Q激光器具有输出脉宽短，脉冲能量高等特点，其工作方式是通过改变激光谐振腔内光场的损耗来实现脉冲激光的输出。通过外部特定频率信号控制Q开关，当谐振腔处于低Q值时，谐振腔内高损耗，没有激光输出；当谐振腔处于高Q值时，谐振腔处于低损耗，输出特定频率的激光脉冲。

当频率信号关闭时，没有激光输出，但激光振荡器依然处于泵浦状态，激光增益介质会积累翻转粒子数，当再次开启频率信号时，振荡器将输出脉冲，此时输出的第一个脉冲称之为首脉冲，该脉冲相对于紧随其后的脉冲串相比，能量大很多，可达几倍到几十倍(如图5所示)。激光首脉冲在加工过程中，易造成工件损坏，危害很大，造成产品的损坏或报废。

对于激光放大器也存在首脉冲的问题，如果放大器处于连续泵浦状态下，激光增益介质将会积累大量的翻转粒子数，此时若振荡器以某一频率输出激光时，经过放大器放大后输出的激光也将会出现首脉冲效应，在加工过程中，同样会对工件造成损害。

目前，现有的抑制激光首脉冲的方法有以下三种，一种是：通过安装一个光开关，挡住前面几个经放大后的巨脉冲，通过脉冲信号不同步，实现经放大后的脉冲均匀性，该方法的缺点是：①要增加一套装置，复杂性提高；②：首脉冲客观存在，易造成光学器件的损伤。第二种是：对调Q波形进行抑制，如图4所示，该方法可实现振荡器的首脉冲抑制(图6a)，也可实现放大后首脉冲的深抑制(6b图)，但当放大器泵浦功率不同时，由于所积累的翻转粒子数不同，无法实现不同泵浦功率条件下，放大后激光脉冲输出能量的均匀性。这就造成了在激光加工领域中对激光功率敏感的材料，如手机按键，合格率非常低，在雕刻高档汽车按键等产品时，不能满足客户需求，激光标记质量低等问题。第三种，对具有MOPA结构的激光器装置进行首脉冲抑制，其方法是在振荡器信号光源处附加一个连续光源，当信号光脉冲间隔大于一个参考静态周期时，比如参考静态周期为T1，而脉冲间隔时间为T2，控制部分触发连续光源，产生持续时间为T2-T1的连续光，从而消耗多余的翻转粒子数积累，实现对放大器的首脉冲抑制。该方法只能对放大器进行首脉冲抑制，而不能对振荡器自身的首脉冲进行抑制，因此具有一定的局限性，并且由于增加了连续光源，以及额外的控制部分，因而结构较为复杂。

综上所述，目前现有的首脉冲抑制方法无法同时实现振荡器的首脉冲抑制和放大器的首脉冲抑制，无法同时实现振荡器输出脉冲激光和放大器输出脉冲激光的均匀一致性。

发明内容

鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种激光器首脉冲抑制的方法，用以解决带有放大级的激光器首脉冲问题，以实现同时对激光器中振荡器和放大器的首脉冲抑制，最终使得经放大器输出的脉冲激光具有一致的能量。

本发明提供了一种激光器首脉冲抑制的方法，即一种特殊设计的调Q驱动波形，可以通过以下技术方案实现，该技术方案包括：首脉冲调制波形生成器、两组高压恒压源、两组高速开关模块、电光调Q晶体，激光振荡器、激光功率放大器、脉冲选择器。

首脉冲调制波形生成器在接收到外部输入的脉冲信号以及时钟信号时，启动首脉冲抑制功能，输出两路脉冲之间有延时的脉冲信号给与其连接的所述高速开关模块；

每组所述高压恒压源给与其连接的高速开关模块提供高压信号；

每组所述高速开关模块在高压信号作用下，将两路脉冲之间有延时的脉冲信号转换成两路动态高压脉冲信号，输出给电光调Q振荡器；

电光调Q振荡器分别接收两组所述高速开关模块输出的动态高压脉冲信号，生成调Q驱动波形，对所述电光调Q振荡器首脉冲起到抑制作用，抑制后的脉冲光并输出给所述激光功率放大器；

激光功率放大器对接收到的脉冲光进行放大后输出给所述脉冲选择器；

脉冲选择器去除所述脉冲中无用的部分，然后进行最后的输出。

进一步地，所述首脉冲调制波形生成器具体包括：

FPGA芯片，用于当接收到外部输入的脉冲信号以及时钟信号时，产生两路脉冲间有延时的脉冲信号输出给高速开关模块作为输入信号；其中，时钟信号作为FPGA芯片的系统时钟；

电平转换芯片，用以调整所有的输入输出信号，使其适应于FPGA芯片的电平需求。

进一步地，所述FPGA芯片同时还产生一路测试脉冲信号，输出到其FPGA芯片一个空的引脚上作为测试芯片程序是否正常工作使用的依据。

进一步地，利用FPGA芯片的系统时钟，利用时钟信号，控制送给高速开关组件中的脉冲信号的波形，即如果设定输出给两组高速开关模块的脉冲信号分别为不同的脉冲A和B，则脉冲A信号作为高压的开启端，脉冲A信号上升沿动作的时候，会产生一个高压信号；脉冲B信号作为高压的关闭端，脉冲B信号上升沿动作的时候，即撤去此高压信号。

进一步地，包括：所述高压恒压源具体包括：

电源输入模块，用于给高压电源模块提供一个主输入电源；

高压使能模块，用以允许或者禁止，正高压或者负高压的输出；

高压配置模块，用以设置、调整带整流电压乘法器或者带整流电压乘法器的输出电压值；

高压检测模块，用于提供一个反馈的电压信号，该电压信号与实际的高压信号有比例关系；

脉冲调制芯片，用来发送驱动变压器的脉冲信号；

变压器，用于对负高压或正高压进行处理；

开关MOSFET，用于控制变压器的开关；

电流反馈，用于控制电流流入变压器，起辅助稳定作用；

带整流电压乘法器，用于输出负高压或正高压。

进一步地，所述高速开关模块具体包括：

MOSFET驱动器，在收到首脉冲调制波形生成器输出的两路有延时的脉冲信号，将这两路脉冲信号进行升压之后，送给变压器；

变压器，给MOSFET组合提供驱动信号；

MOSFET组合，在驱动信号的作用下，当收到高压恒压源输送的高压信号时，就会对升压后的两路有延时的脉冲信号进行开关，并且产生一个脉冲高压信号。

本发明的原理是：当外部脉冲信号为低电平时，调Q晶体上无高压，此时振荡器输出连续光，该连续光经过放大器时，消耗了放大器的翻转粒子数，放大器粒子积累处于低水平状态；当外部脉冲信号为高电平时，所设计的特殊脉冲波形输出一个高占空比波形，该波形在指定工作频率下，使Q开关以最大时间长度处于加载高电压状态，这时振荡器处于低Q值，以便振荡器内的增益介质中积累更多的翻转粒子数，然后迅速使Q开关上高压去除，形成脉冲激光，输出的脉冲激光进入放大器放大当脉冲激光进入放大器后由于不存在粒子数积累，所以输出稳定的放大脉冲激光，解决了首脉冲抑制问题。

本发明有益效果如下：

本发明能解决激光器的首脉冲问题，并且能同时解决激光器中震荡器和放大器的首脉冲抑制问题，最终使得经振荡器输出的脉冲激光和经放大器输出的脉冲激光都具有就均匀一致性。这样在加工过程中，避免了由于首脉冲能量过大问题，造成的工件损伤和浪费，节约了成本。

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分的从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。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

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1为本发明的激光器首脉冲抑制控制系统及激光器的结构示意图；

图2为特别设计的调Q驱动波形；

图3为首脉冲调制波形生成器的结构示意图；

图4为首脉冲调制波形生成器的结构示意图；

图5为高压电源功能模块示意图；

图6为是经本发明实施例处理后的首脉冲抑制效果示意图。

具体实施方式

本发明提供了一种首脉冲抑制控制系统，该系统适合于具有MOPA(振荡器加放大器形式)结构的调Q激光器，同时对振荡器和放大器进行首脉冲能量抑制。

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理。

如图1所示，图1为所述激光器首脉冲抑制的控制系统的结构示意图，主要包括：两组首脉冲调制波形生成器1、两组高压恒压源2、两组高速开关模块(包括MOSFET驱动器3、变压器4以及MOSFET组合5)、电光调Q振荡器6、激光功率放大器7、脉冲选择器8，其中，

每组首脉冲调制波形生成器1，用于在接收到外部输入的脉冲信号以及时钟信号时，启动首脉冲抑制功能，输出两路有延时的脉冲信号给与其连接的高速开关模块；

每组高压恒压源2，用于给与其连接的高速开关模块提供高压信号；

每组高速开关模块，用于在高压信号作用下，将两路有延时的脉冲信号转换成两路动态高压脉冲信号，输出给电光调Q振荡器；

电光调Q振荡器6，用于分别接收两组高速开关模块输出的动态高压脉冲信号，生成调Q驱动波形并输出给激光功率放大器7；

激光功率放大器7，用于对接收到的调Q驱动波形进行放大后输出给脉冲选择器8；

脉冲选择器8，用于去除所述调Q波形中无用的部分，然后进行最后的输出。

如图2所示，是一种特别设计的调Q驱动波形，可通过调节高压脉冲宽度来控制输出脉冲能量大小。

如图3所示，图3为首脉冲调制波形生成器的结构示意图，主要包括：FPGA芯片与电平转换芯片，其中，

FPGA芯片，接收外部输入的脉冲信号(作为延时脉冲的启动信号)以及接收外部的时钟信号作为系统时钟；接收到外部的脉冲信号时，产生两路延时的脉冲信号以及一路测试脉冲信号。其中，两路延时的脉冲信号输给高速开关模块的MOSFET驱动器作为输入信号；测试脉冲信号单独存在，由外部的时钟信号通过FPGA的定时器产生，输出到FPGA一个空的引脚上作为测试芯片程序是否正常工作使用。

利用FPGA的时钟，可以利用时钟信号，作为同步电路的主时钟，对同步电路进行控制，达到同步精确控制的原理，可以通过精确的控制送给高速开关模块中的输入脉冲信号的波形，来精确控制高压脉冲的相位与占空比。即通过给两组高速开关模块上分别输出不同的脉冲A和B(A和B就是那两个带延迟的脉冲)，可以得到图3所示的调Q驱动波形C。脉冲A信号作为高压的开启端，脉冲A信号上升沿动作的时候，会产生一个高压信号；脉冲B信号作为高压的关闭端，脉冲B信号上升沿动作的时候，即撤去此高压信号。两个信号结合在一起就形成了如图4所示的调Q驱动波形C。其中脉冲A与脉冲B的上升沿时间间隔为t1，脉冲B与脉冲A上升沿时间间隔为t2，t1远远大于t2。当持续输入脉冲信号B时，即生成调Q驱动波形的平台部分0V。

同时，激光输出的脉冲能量，可以通过控制图4中，t1持续时间的长短(即调Q驱动波形C的占空比)来控制激光输出能量的大小，这个也是我们需要保护的特点。由图4可知，脉冲A的上升沿可以将调Q驱动波形C拉高，脉冲B的上升沿可以将调Q驱动波形C拉低，因此控制两个上升沿的时间差就可以来控制调Q驱动波形的占空比。而占空比值越大，激光的输出能量越大；占空比值越小，激光的输出能量越小。

电平转换芯片，本发明实施例中采用电平转换芯片，该芯片采用74系列的逻辑门电路，用以调整所有的输入输出信号，使其适应于FPGA的3.3V TTL电平的需求。

高压恒压源模块，目的是得到一个高压恒压源，利用DC-DC开关电源原理，利用高压恒压源，得到一个高于输入电压的高压值，并将产生的高压信号输出给高速开关模块的MOSFET组合。

如图5所示，为高压电源功能模块示意图，高压电源是一种反激式开关电源，具体包括：

电源输入模块，给高压电源模块提供一个主输入电源，所有用到的电源系统都是由这个电源变化而来；

高压使能，用以允许或者禁止，正高压(带整流电压乘法器)或者负高压(带整流电压乘法器)的输出；

高压配置，用以设置、调整正高压(带整流电压乘法器)或者负高压(带整流电压乘法器)的输出电压值；

高压检测，提供一个反馈的电压信号，该电压信号与实际的高压信号有比例关系；

脉冲调制芯片，也称PWM芯片，用来发送驱动变压器的脉冲信号；

变压器，用于对负高压或正高压进行处理；

开关MOSFET，用于控制变压器的开关；

电流反馈模块，控制电流流入变压器，起辅助稳定作用；

负高压模块(带整流电压乘法器)，用于产生负高压；

正高压模块(带整流电压乘法器)，用于产生正高压；

高压电压反馈控制系统，允许高压配置模块调整，高压使能模块使能/禁用、高压监测模块监测输出的差分高压(负高压及正高压)。

高速开关模块，目的是得到一个高压的开关信号，包括：MOSFET驱动器、MOSFET组合以及变压器，其中，

MOSFET驱动器，在收到首脉冲调制波形生成器输出的两路有延时的脉冲信号，将这两路脉冲信号进行升压之后，送给变压器；

变压器，给MOSFET组合提供驱动信号(高幅值短脉宽的信号)；

MOSFET组合，在驱动信号的作用下，当收到高压恒压源输送的高压信号时，就会对升压后的两路有延时的脉冲信号进行开关，并且产生一个脉冲高压信号。

调Q驱动波形特点为：在一个脉冲周期内，有尽可能宽的高压时间宽度(t1)，和尽可能窄的零电压时间宽度(t2)，例如在脉冲频率为100kHz时，高压时间为9.7us，零电压时间为0.3us，并且这种方式具有很陡的高压下降沿和上升沿(均小于10ns)，以往的调Q驱动电压波形，高压恢复时间很长，不能迅速增加腔内损耗，因此增益介质中的翻转粒子积累不重复，这种方式使得增益介质中积累更多的翻转粒子数，然后在一个很短时间内迅速开门释放粒子数，形成脉冲激光输出。迅速恢复到高电平状态。该方法可对具有MOPA(振荡器加放大器形式)结构的调Q激光器的首脉冲能量进行抑制。

将调Q驱动提供的负高压(带整流电压乘法器)，正高压(带整流电压乘法器)施加到振荡器中的调Q元件上，调Q元件周期性改变振荡器的损耗，从而输出具有高峰值功率的脉冲激光。施加该调Q驱动波形，能够使具有于MOPA(振荡器加放大器形式)结构的调Q激光器首脉冲能量得到完全抑制。当调Q电压驱动波形为低电平的0V时，调Q晶体上无高压，此时振荡器6输出激光为连续光，该连续激光通过脉冲选择器8时被去除，从而关闭激光输出。而当外部触发脉冲信号进来时，本系统会将输入的脉冲信号转换为如图3所示的调Q驱动波形C，即一个周期内，在尽可能宽的时间宽度内，在增益介质中积累更多的翻转粒子数，然后迅速开门释放，形成脉冲激光输出，输出的激光进入放大器7进行放大。当连续光进入放大器7后，输出放大后的连续光，消耗放大器7增益介质中的翻转粒子，当脉冲激光进入放大器7后，由于不存在粒子数的积累，所以输出稳定的放大脉冲激光；最后被放大的激光经脉冲选择器8输出稳定一致的脉冲激光，最终实现了振荡器和放大器的首脉冲抑制。

如图6所示，是经本方法处理后的首脉冲抑制效果示意图，本发明的激光器首脉冲抑制的控制系统(图1)，既可实现激光振荡器的首脉冲抑制(图6b)，又可实现激光放大器的首脉冲抑制(图6c)。

综上所述，本发明实施例提供了一种激光器首脉冲抑制的方法，其优点是：通过特别设计的调制脉冲波形，在不需要脉冲输出时，使得振荡器出射连续激光，可同时有效地对振荡器和放大器的首脉冲进行抑制，并且不受泵浦强度影响，此部分输出的连续激光，可通过脉冲选择器去除；该方法可实现控制任意频率下放大后激光输出脉冲能量的一致性；可以在任意频率组合条件下，实现激光输出波形的均匀变化。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，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，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种激光器首脉冲抑制的控制方法，其特征在于，该方法是一种特殊的调Q驱动波形，通过调节高压脉冲宽度来控制输出脉冲能量大小；该方法可通过以下技术方案来实现：

首脉冲调制波形生成器在接收到外部输入的脉冲电平信号以及时钟信号时，产生一种特殊的调Q波形，该波形分为两路输出，两路之间具有设定的延迟时间，所述的两路输出脉冲输送至与其连接的所述高速开关模块；

每组所述高压恒压源给与其连接的高速开关模块提供高压信号；

每组所述高速开关模块在高压信号作用下，将两路脉冲之间有延时的脉冲信号转换成两路动态高压脉冲信号，输出给电光调Q晶体；

电光调Q晶体分别接收两组所述高速开关模块输出的动态高压脉冲信号，生成所述的调Q波形，对所述的激光振荡器所输出激光首脉冲起到抑制作用，抑制后的脉冲激光输出给所述激光功率放大器；

激光功率放大器对接收到的脉冲激光进行放大后输出至所述脉冲选择器；

脉冲选择器去除所述放大激光输出中直流(连续成分)的部分，然后输出所需要的脉冲激光。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述首脉冲调制波形生成器具体包括：

处理器(可以是FPGA、DSP或MCU)，用于当接收到外部输入的脉冲信号时，产生两路脉冲间有延时的脉冲信号输出给高速开关模块作为输入信号；其中，外部输入的时钟信号作为处理器芯片的系统时钟；

电平转换芯片，用以调整所有的输入输出信号，使其适应于处理器芯片的电平需求。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述处理器芯片同时还产生一路测试脉冲信号，输出到该处理器芯片一个空的引脚上作为测试芯片程序是否正常工作使用的依据。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，利用处理器芯片的系统时钟，，控制送给高速开关组件中的脉冲信号的波形，即如果设定输出给两组高速开关模块的脉冲信号分别为不同的脉冲A和B，则脉冲A信号作为高压的开启端，脉冲A信号上升沿动作的时候，会产生一个高压信号；脉冲B信号作为高压的关闭端，脉冲B信号上升沿动作的时候，即撤去此高压信号。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，包括：所述高压恒压源具体包括：

电源输入模块，用于给高压电源模块提供一个主输入电源；

高压使能模块，用以允许或者禁止，正高压或者负高压的输出；

高压配置模块，用以设置、调整带整流电压乘法器或者带整流电压乘法器的输出电压值；

高压检测模块，用于提供一个反馈的电压信号，该电压信号与实际的高压信号有比例关系；

脉冲调制芯片，用来发送驱动变压器的脉冲信号；

变压器，用于对负高压或正高压进行处理；

开关MOSFET，用于控制变压器的开关；

电流反馈，用于控制电流流入变压器，起辅助稳定作用；

带整流电压乘法器，用于输出负高压或正高压。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述高速开关模块具体包括：

MOSFET驱动器，在收到首脉冲调制波形生成器输出的两路有延时的脉冲信号，将这两路脉冲信号进行升压之后，送给变压器；

变压器，给MOSFET组合提供驱动信号；

MOSFET组合，在驱动信号的作用下，当收到高压恒压源输送的高压信号时，就会对升压后的两路有延时的脉冲信号进行开关，并且产生一个脉冲高压信号。

7.根据权利要求1所述的方法，该方法不仅适用于电光调Q系统，同样也适用于声光调Q系统。