CN106848833B - 一种调q半导体激光器恒功率输出控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种调Q半导体激光器恒功率输出控制装置。本发明实时监测激光器输出功率与目标功率之间的误差，当误差的绝对值大于预设的调整阈值时，对储能时间参数、倍频温度参数和\或泵浦电流参数中的一个或多个参数进行遍历，并使用使光功率量化误差低于调整阈值的参数对激光器进行调整以便控制激光器输出功率与目标功率之间的误差。本发明通过实时监控和调整光功率，在不需要人工参与的情况下，自动优化参数实现了激光的恒功率输出，具有成本低、灵活性高、控制精度高等优点，更加适合一些要求很严格的打标、切割等应用。

Description

一种调Q半导体激光器恒功率输出控制装置

技术领域

本发明涉及半导体激光器技术领域，特别是涉及一种调Q半导体激光器的恒功率输出控制装置。

背景技术

激光调Q技术的出现和应用是激光发展史上一个重大的突破。通过调Q技术，将一般输出的连续或脉冲激光能量压缩到宽度极窄脉冲中发射，从而使激光的峰值功率可提高几个数量级。这样一来，高功率、高重复频率的半导体激光器在材料加工、激光医学、激光测距、雷达、制导、高速摄影、高分辨率光谱学和核聚变等众多领域都有着广泛的应用。倍频技术是二阶非线性光学效应，被广泛应用到激光技术中。Q开关技术不仅大大增加了倍频激光器中二次谐波的转换效率，也很大程度上增加激光脉冲的峰值功率密度。

光束质量问题是制约半导体激光器发展的主要因素，特别是光功率随着时间的变化更是明显，由于半导体激光器存在光衰特性，随着激光器输出功率的不断提高，这一问题更加突出。

在恒功率工作方式中，目前市场上常用的就是对泵浦的电流调整，同时对泵浦进行恒温控制，从而实现光功率的稳定输出。该方案可调范围比较小，而且会影响泵浦的寿命，从而电路老化比较快、控制精度比较低、灵活性差、成本高，长期稳定性比较差。

发明内容

本发明的一个目的是提出一种成本低、灵活性高、控制精度高的调Q半导体激光器恒功率输出的装置。

本发明构造了一种调Q半导体激光器恒功率输出控制装置，其包括：光功率采集模块，用于检测激光输出功率以获取与激光输出功率对应的模拟光功率信号；模数转换模块，用于将模拟光功率信号量化以获取光功率实测值；倍频温度控制模块，用于根据倍频温度参数调整倍频晶体的温度；泵浦电流控制模块，用于根据泵浦电流参数调整泵浦电流；Q脉冲控制模块，用于根据储能时间参数调整激光谐振腔的储能时间；控制单元，用于根据预设的光功率目标参数和光功率实测值计算光功率误差量化值，当该光功率量化误差值大于一个预设调整阈值时，对Q脉冲控制模块、倍频温度控制模块和\或泵浦电流控制模块的一个或多个参数进行遍历并基于使光功率量化误差低于调整阈值的新参数对相应模块的相应参数进行更新。

优选地，所述控制单元配置为执行如下步骤：如果光功率误差量化值大于预设的调整阈值，则执行储能时间参数遍历调整步骤，否则使用当前储能时间参数、倍频温度参数和泵浦电流参数更新初始参数，并继续实时监测光功率量化误差值；储能时间参数遍历调整步骤包括：在规定的范围内按照一定的时序和步长对储能时间参数进行遍历，然后利用遍历生成的储能时间参数序列依次对Q脉冲控制模块进行调整并实时检测对应的光功率误差量化值，如果储能时间参数遍历已经溢出且光功率误差量化值仍然大于调整阈值，则执行倍频温度遍历调整步骤，否则使用使得光功率误差量化值最小的储能时间参数实时更新Q脉冲控制模块的储能时间参数；倍频温度遍历调整步骤包括：在规定的范围内按照一定的时序和步长对倍频温度参数进行遍历，然后利用遍历生成的倍频温度参数序列依次对倍频温度控制模块进行调整并实时检测对应的光功率误差量化值，如果倍频温度遍历已经溢出且光功率误差量化值仍然大于调整阈值，则执行泵浦电流遍历调整步骤，否则使用使得光功率误差量化值最小的倍频温度参数实时更新倍频温度控制模块的倍频温度参数；执行泵浦电流遍历调整步骤包括：在规定的范围内按照一定的时序和步长对泵浦电流参数进行遍历，然后利用遍历生成的泵浦电流参数调整所述泵浦电流控制模块，并实时检测对应的光功率误差量化值，如果泵浦电流遍历已经溢出且光功率误差量化值仍然大于调整阈值，则结束并输出报警信号，否则使用使得光功率误差量化值最小的泵浦电流参数实时更新泵浦电流控制模块的泵浦电流参数。

优选地，所述装置还包括数据存储模块，其用于各模块的初始参数和存储遍历调整的参数以供控制单元随时存取。

优选地，在对各模块的相应参数进行更新时，所述控制单元使用新参数对相应模块的相应初始值进行替换。

优选地，所述Q脉冲控制模块用于调整激光谐振腔Q值的储能时间参数。

优选地，所述倍频温度控制模块用于控制二倍频晶体温度，或者用于同时控制二倍频、三倍频晶体的温度。

优选地，所述的泵浦电流控制模块为输出电流可调的恒流源。

本发明的另一个目的是提供一种调Q半导体激光器恒功率输出控制方法。

本发明可以在Q调制频率一定的情况下，能够自动通过遍历光的储能时间参数的快速检测使得光功率误差量化值最小的储能时间参数，并利用该参数对Q脉冲控制模块进行调整以便对所述激光器输出光功率进行校正，如果遍历储能时间参数无法将光功率误差量化值控制在调整阈值的范围内，则继续遍历和优化倍频温度参数以及泵浦电流参数以达到最佳的光功率输出。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步解释，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。

图1是根据本发明实施例调Q半导体激光器恒功率输出控制装置结构图示意图。

图2是根据本发明实施例调Q半导体激光器恒功率输出控制方法的流程图。

图3是根据本发明实施例激光谐振腔Q值与激光振荡输出对应关系时序图。

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。

图1示出了本发明的一种实施例调Q半导体激光器恒功率输出控制装置结构图示意图。如图1所示的一种调Q半导体激光器恒功率输出控制装置100包括：光功率采集模块11、模数转换模块12、倍频温度控制模块14、泵浦电流控制模块15、Q脉冲控制模块13、控制单元10和光路调理模块16。其中，光功率采集模块11用于检测激光输出功率以获取与激光输出功率对应的模拟光功率信号，光功率采集模块11可以为硅光电池或者光电二极管。模数转换模块12用于将模拟光功率信号量化以获取光功率实测值，其优选使用高速模数转换器件实现。倍频温度控制模块14用于调整倍频晶体的温度。倍频温度控制模块14可以只控制二倍频温度，或者同时控制二倍频、三倍频晶体温度。泵浦电流控制模块15用于改变泵浦电流的大小，其可以为输出电流可调的恒流源。Q脉冲控制模块13用于调整激光谐振腔Q值的储能时间，以改变光的储能时间，从而改变激光器输出的光功率。控制单元10，用于根据预设的光功率目标参数和光功率实测值计算光功率误差量化值，当该光功率量化误差值大于一个预设调整阈值时，对Q脉冲控制模块13、倍频温度控制模块14和\或泵浦电流控制模块15的一个或多个参数进行遍历以控制输出的光功率并基于使光功率量化误差低于调整阈值的新参数对相应模块的相应参数进行更新。光路调理模块16，用于根据光学谐振腔的输出产生具有所需功率的激光。

装置100还可以包括数据存储模块17，用于存储各模块遍历的参数。数据存储模块17优选使用掉电非易失随机存储器实现，以便存储各模块的初始参数，并供控制单元10随时取出遍历的参数。

参考图2，如图2所示的一种调Q半导体激光器恒功率输出控制方法包括以下步骤：将模拟光功率信号量化以获取相应的光功率实测值；根据预设的光功率目标值和光功率实测值计算光功率误差量化值

步骤S200，获取模拟光功率信号；具体的，可以利用光功率采集模块11检测激光输出功率以获取与激光输出功率对应的模拟光功率信号。

步骤S201，获取光功率实测值；具体的，可以利用模数转换模块12将模拟光功率信号量化以获取相应的光功率实测值。

步骤S202，计算光功率误差量化值；具体的，可以利用控制单元10对光功率实测值和预设的功率目标值之差求绝对值以获得光功率误差量化值。

步骤S203，判断光功率误差量化值是否大于预设的调整阈值。如果光功率误差量化值大于调整阈值则进入步骤S205；如果误差信号电平量化值小于等于调整阈值则进入步骤S200和S204。

步骤S204，更新存储参数；具体地，可以利用控制单元10读取当前倍频温度控制模块14、泵浦电流控制模块15和/或Q脉冲控制模块13的参数，并将各模块的当前的参数覆盖存储于数据存储模块17中的原有参数或初始参数。

步骤S205，遍历储能时间参数；同时参考图3，图3是激光谐振腔Q值与激光振荡输出对应关系时序图。当频率一定时，改变激光谐振腔的Q值的储能时间参数可以改变激光脉冲储能时间，达到改变激光脉冲幅值，以此改变光功率输出。

具体的，可以利用控制单元10在规定的取值范围内按照一定的时序和步长对储能时间进行遍历。例如可以利用控制单元10从储能时间参数的最小值开始通过逐次增加步长获得新的储能时间参数，也可以通过逐步增加步长形成一个储能时间参数序列(即各相邻参数之间相差一个步长)，并按从小到大的顺序依次将序列中的一个储能时间参数作为新的储能时间参数。

步骤S206，判断储能时间遍历是否溢出；具体的，可以利用控制单元10判断新的储能时间参数是否超过规定的储能时间的取值范围，如果超过范围，则进入步骤S208，否则进入步骤S207。

步骤S207，调整储能时间参数，具体的，可以利用控制单元10根据新的储能时间参数对Q脉冲控制模块13进行调整以便校正输出的光功率，然后重复步骤S200-S205以实时监测通过新的储能时间参数校正后的激光的光功率误差量化值。

在一些实施例中，可以利用控制单元10分别获取储能时间参数序列中的每个储能时间参数对应的光功率误差量化值，并把每个储能时间参数及其对应的光功率误差量化值存储于数据存储模块17中；然后从其中选出最小的光功率误差量化值对应的储能时间参数作为最优的储能时间参数，并利用控制单元10根据该最优的储能时间参数对Q脉冲控制模块13进行调整以校正输出的光功率，然后利用控制单元10使用该最优的储能时间参数对存储于数据存储模块17中的初始的储能时间参数或旧的储能时间参数进行覆盖。

步骤S208，遍历倍频温度参数，具体地，可以利用控制单元10在规定的取值范围内按照一定的时序和步长对倍频温度参数进行遍历，然后进入S209。例如可以利用控制单元10从倍频温度参数的最小值开始通过逐次增加步长形成一个倍频温度参数序列，并依次将其中的一个倍频温度参数作为新的倍频温度参数。

步骤S209，判断倍频温度遍历是否溢出；具体的，可以利用控制单元10判断新的倍频温度参数是否超过规定的倍频温度参数的取值范围，若是则进入步骤S211，若否则进入步骤S210。

在其他实施例中，可以利用控制单元10分别获取倍频温度参数序列中的每个倍频温度参数对应的光功率误差量化值，并把每个倍频温度参数及其对应的光功率误差量化值存储于数据存储模块17中；然后从其中选出最小的光功率误差量化值对应的倍频温度参数作为最优的倍频温度参数，并利用控制单元10根据该最优的倍频温度参数对倍频温度控制模块14进行调整以校正输出的光功率，并利用控制单元10使用该最优的倍频温度参数对存储于数据存储模块17中的初始的倍频温度参数或旧的倍频温度参数进行覆盖。

步骤S210，调整倍频温度，具体地，可以利用控制单元10根据新的倍频温度参数对倍频温度控制模块14进行调整以改变输出光功率。

步骤S211，遍历泵浦电流参数，具体地，可以利用控制单元10在规定的取值范围内按照一定的时序和步长对泵浦电流参数进行遍历，然后进入S212。例如可以利用控制单元10从泵浦电流参数的取值范围内的最小值开始通过逐次增加步长形成一个泵浦电流参数序列，并依次将其中的一个泵浦电流参数作为新的泵浦电流参数。

在其他实施例中，可以利用控制单元10分别获取泵浦电流参数序列中的每个泵浦电流参数对应的光功率误差量化值，并把每个泵浦电流参数及其对应的光功率误差量化值存储于数据存储模块17中；然后从其中选出最小的光功率误差量化值对应的泵浦电流参数作为最优的泵浦电流参数，并利用控制单元10根据该最优的泵浦电流参数对泵浦电流控制模块进行调整以校正输出的光功率，并利用控制单元10使用该最优的泵浦电流参数对存储于数据存储模块17中的初始的泵浦电流参数或旧的泵浦电流参数进行覆盖。

步骤S212，判断泵浦电流遍历是否溢出；具体的，可以利用控制单元10判断新的泵浦电流参数是否超过规定的泵浦电流参数的取值范围，若是则进入步骤S214，若否则进入步骤S213。

步骤S213，调整泵浦电流，具体地，可以利用控制单元10根据新的泵浦电流参数对泵浦电流控制模块15进行调整以改变输出光功率。

步骤S214，输出报警信号。具体地，可以利用控制单元10输出具有一定周期的PWM信号作为报警信号，以便通知用户无法通过调整储能时间参数、倍频温度参数和泵浦电流参数将激光器输出的光功率控制在调整阈值的范围内。

通过本发明实施例调Q半导体激光器恒功率输出控制装置，能够在恒功率工作方式中，在Q调制频率一定的情况下，通过快速改变Q调制技术的储能时间(改变光的储能时间)，能够很快调整输出光功率，以及自动优化倍频晶体温度场，从而提高倍频晶体转换效率和倍频光的功率，以及自动优化泵浦恒流源的电流大小、达到最佳稳定的光功率输出。

流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本发明的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本发明的实施例所属技术领域的技术人员所理解。

应当理解，本发明的实施方式的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (6)

1.一种调Q半导体激光器恒功率输出控制装置，其特征在于，包括：

光功率采集模块，用于检测激光输出功率以获取与激光输出功率对应的模拟光功率信号；

模数转换模块，用于将模拟光功率信号量化以获取光功率实测值；

倍频温度控制模块，用于根据倍频温度参数调整倍频晶体的温度；

泵浦电流控制模块，用于根据泵浦电流参数调整泵浦电流；

Q脉冲控制模块，用于根据储能时间参数调整激光谐振腔的储能时间；

控制单元，用于根据预设的光功率目标参数和光功率实测值计算光功率误差量化值，当该光功率量化误差值大于一个预设调整阈值时，对Q脉冲控制模块、倍频温度控制模块和\或泵浦电流控制模块的一个或多个参数进行遍历以调整所述激光器输出的光功率并基于使光功率量化误差低于调整阈值的新参数更新相应模块的相应参数，其特征在于，所述控制单元配置为执行如下步骤：

如果光功率误差量化值大于预设的调整阈值，则执行储能时间参数遍历调整步骤，否则使用当前储能时间参数、倍频温度参数和泵浦电流参数更新初始参数，并继续实时监测光功率量化误差值；

储能时间参数遍历调整步骤包括：在规定的范围内按照一定的时序和步长对储能时间参数进行遍历，利用遍历生成的储能时间参数序列依次对Q脉冲控制模块进行调整并实时检测对应的光功率误差量化值，如果储能时间参数遍历已经溢出且光功率误差量化值仍然大于调整阈值，则执行倍频温度遍历调整步骤，否则使用使得光功率误差量化值最小的储能时间参数实时更新Q脉冲控制模块的储能时间参数；

倍频温度遍历调整步骤包括：在规定的范围内按照一定的时序和步长对倍频温度参数进行遍历，然后利用遍历生成的倍频温度参数序列依次对倍频温度控制模块进行调整并实时检测对应的光功率误差量化值，如果倍频温度遍历已经溢出且光功率误差量化值仍然大于调整阈值，则执行泵浦电流遍历调整步骤，否则使用使得光功率误差量化值最小的倍频温度参数实时更新倍频温度控制模块的倍频温度参数；

执行泵浦电流遍历调整步骤包括：在规定的范围内按照一定的时序和步长对泵浦电流参数进行遍历，然后利用遍历生成的泵浦电流参数调整所述泵浦电流控制模块，并实时检测对应的光功率误差量化值，如果泵浦电流遍历已经溢出且光功率误差量化值仍然大于调整阈值，则结束并输出报警信号，否则使用使得光功率误差量化值最小的泵浦电流参数实时更新泵浦电流控制模块的泵浦电流参数。

2.如权利要求1所述的调Q半导体激光器恒功率输出控制装置，其特征在于，还包括数据存储模块，用于存储各模块的初始参数和遍历的参数以供控制单元随时存取。

3.如权利要求2所述的调Q半导体激光器恒功率输出控制装置，其特征在于，控制单元在对各模块的相应参数进行更新时使用新参数对相应模块的相应初始值进行替换。

4.如权利要求1所述的调Q半导体激光器恒功率输出控制装置，其特征在于，所述Q脉冲控制模块用于调整激光谐振腔Q值的储能时间参数。

5.如权利要求1所述的调Q半导体激光器恒功率输出控制装置，其特征在于，所述倍频温度控制模块用于控制二倍频晶体温度，或者用于同时控制二倍频和三倍频晶体的温度。

6.如权利要求1所述的调Q半导体激光器恒功率输出控制装置，其特征在于，所述的泵浦电流控制模块为输出电流可调的恒流源。