CN110148880A - 被动调q激光器的单脉冲能量自动化调节方法 - Google Patents

被动调q激光器的单脉冲能量自动化调节方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种无需极大增加设备体积、且成本低的被动调Q激光器的单脉冲能量自动化调节方法，该方法涉及的被动调Q激光器包括：聚焦透镜组；分光镜，光电探测器，控制系统，三维电动位移台，用于控制聚焦透镜组的位置；激光二极管驱动，驱动激光二极管输出泵浦光；需要输出单脉冲能量值，打开激光二极管驱动，激光器工作以后，输出激光一部分通过分光镜分光以后输出，另一个部分反馈到光电探测器上，光电探测器将光信号转换为电信号，该电信号输入到控制系统以后，控制系统输出信号自动控制激光二极管驱动电流和电动位移台产生位移，位移台带动透镜组移动，最终得到设定的单脉冲能量输出。

Description

被动调Q激光器的单脉冲能量自动化调节方法
技术领域
本发明涉及激光器领域，具体而言，涉及一种被动调Q激光器的单脉冲能量自动化调节方法。
背景技术
激光二极管泵浦被动调Q激光器是获得高脉冲能量、高重复频率、大峰值功率、窄脉冲激光输出的重要技术。在中小功率固体激光器件中，被动调Q技术以其价格低廉、运转可靠和结构简单等优点而获得了广泛应用，其身影遍布了医疗、打标、光纤激光、测距和光谱分析等各个应用领域。随着激光设备逐渐向着小型化和便携式的方向发展，如手持式激光诱导击穿光谱仪(LIBS)等设备，对其中的被动调Q激光器提出了新的要求，为保证设备外形能够符合人体工美学要求，内部激光器必须满足体积小，重量轻，而为了满足不同材料对激光器单脉冲能量的要求，激光器单脉冲能量需要在一定范围内自动可调，为了保证LIBS测试结果具有高的重复性，要求单脉冲能量长期保持稳定。
由于被动调Q激光器原理上的限制，激光器装调好以后，其输出单脉冲能量不变，现有技术主要采用在激光器外部加衰减片的方式来调节激光器输出单脉冲能量，衰减片又分为固定衰减片和可调衰减片，固定衰减片只能衰减到一个固定值，不能满足能量连续可调的要求，可调衰减片价格昂贵，对于大能量激光器来说还容易损伤，激光器外部加可调衰减片需要另外增加机械结构，增大了激光器的体积。此外激光器受到温度的影响，单脉冲能量长期稳定性会变差，从而导致LIBS测试结果重复性差。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种无需极大增加设备体积、且成本低的被动调Q激光器的单脉冲能量自动化调节方法。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：一种被动调Q激光器单脉冲能量自动化调节方法，该方法涉及的被动调Q激光器包括：
聚焦透镜组；
分光镜，大部分激光经过分光镜输出，少部分光经过光电探测器接收以后反馈给控制系统；
光电探测器，接收反馈光，将光信号转换为电信号反馈给闭环控制系统；
控制系统，控制激光二极管驱动和电动位移台实现单脉冲能量自动化调节；
三维电动位移台，用于控制聚焦透镜组的位置；
激光二极管驱动，驱动激光二极管输出泵浦光；
其中，开环单脉冲能量大小自动调节过程为：设定需要输出单脉冲能量值，打开激光二极管驱动，激光器工作以后，输出激光一部分通过分光镜分光以后输出，另一个部分反馈到光电探测器上，光电探测器将光信号转换为电信号，该电信号输入到控制系统以后，控制系统输出信号自动控制激光二极管驱动电流和电动位移台产生位移，位移台带动透镜组移动，当光电探测器探测值与设定目标值的差值在设定范围内时，位移台不移动；当光电探测器探测值与设定目标值的差值超过设定范围时，位移台在X轴移动一设定距离，判断光电探测器探测值与设定目标值的差值是否在设定范围内，如果是，停止运动；如果不是，位移台在Y轴移动一设定距离，判断光电探测器探测值与设定目标值的差值是否在设定范围内，如果是，停止运动；如果不是，位移台在Z轴移动一设定距离，判断光电探测器探测值与设定目标值的差值是否在设定范围内，如果是，停止运动；
如果不是，位移台继续重复在Z轴运动设定距离并判断光电探测器探测值与设定目标值的差值是否在设定范围内，直至差值位于设定范围内或位移台运动至Z轴极限位置；如果位移台到达Z轴极限位置光电探测器探测值与设定目标值的差值仍不在设定范围内，则位移台继续重复在Y轴运动设定距离并判断光电探测器探测值与设定目标值的差值是否在设定范围内，直至差值位于设定范围内或位移台运动至Y轴极限位置；如果位移台到达Y轴极限位置光电探测器探测值与设定目标值的差值仍不在设定范围内，则位移台继续重复在X轴运动设定距离并判断光电探测器探测值与设定目标值的差值是否在设定范围内，直至差值位于设定范围内或位移台运动至X轴极限位置；如果位移台运动至X轴极限位置，判定为超出调节范围，重新设定目标值，再次进行判断及调节，直至光电探测器探测值与设定目标值的差值在设定范围内；最终得到设定的单脉冲能量输出。
作为一种优选的方案，所述聚焦透镜组的透镜数量大于等于1，透镜的材料为玻璃或者塑料，透镜可以是球面镜、非球面、柱透镜中的一种。
作为一种优选的方案，所述分光镜分光比大于1:1。
作为一种优选的方案，光电探测器响应时间小于1s，其材料可以是光敏半导体或热释电或者热电堆。
作为一种优选的方案，控制系统为内部包含高速数字模拟转换采样电路的微控制处理器，同时控制激光二极管驱动和电动位移台。
作为一种优选的方案，所述激光二极管驱动电流可以外部调节。
本发明的有益效果是：本方法实现自动化调节，操作简单，通过激光器内部调节方式来调节单脉冲能量，利用闭环控制保持单脉冲能量具有长时间稳定性，使得设备结构紧凑，体积小，成本低。
如果单脉冲能量受到某种因素(环境温度)的干扰而造成输出产生较大偏差时候，该闭环控制系统也会自动运行，从而保证单脉冲能量始终长期保持在设定值允许波动范围内。
附图说明
图1本发明一种被动调Q激光器单脉冲能量自动化调节示意图
图2被动调Q激光器输出单脉冲能量随着透镜位移变化关系示意图
图3开环自动化控制示意图
图4现有技术被动调Q激光器单脉冲能量长期稳定性示意图
图5采用本发明得到的被动调Q激光器单脉冲能量长期稳定性示意图
图6激光器无温度控制时无闭环反馈与有闭环反馈单脉冲稳定性对比图
具体实施方式
下面结合附图，详细描述本发明的具体实施方案。
如图1所示，为本发明一种被动调Q激光器单脉冲能量自动化调节的一种实施例。该被动调Q激光器单脉冲能量自动化调节装置包括激光盒103，聚焦透镜组101，超小型电动位移台102，分光镜107，光电探测器105，控制系统106，激光二极管驱动110。
设定好激光器目标输出单脉冲能量以后，打开激光器，激光器开始工作，输出激光束107经过分光镜104以后，分成两束光，光束108直接输出，光束109经过光电探测器105接收以后，转换电信号，反馈到控制系统106中，控制系统106输出控制信号，控制激光二极管驱动110电流大小以及超小型电动位移台102位移，超小型电动位移台102带动透镜组101移动，当光电探测器105探测值与设定目标值的差值超过设定范围时，位移台102在X轴移动一设定距离，判断光电探测器105探测值与设定目标值的差值是否在设定范围内，如果是，停止运动；如果不是，位移台102在Y轴移动一设定距离，判断光电探测器105探测值与设定目标值的差值是否在设定范围内，如果是，停止运动；如果不是，位移台102在Z轴移动一设定距离，判断光电探测器105探测值与设定目标值的差值是否在设定范围内，如果是，停止运动；
如果不是，位移台102继续重复在Z轴运动设定距离并判断光电探测器105探测值与设定目标值的差值是否在设定范围内，直至差值位于设定范围内或位移台102运动至Z轴极限位置；如果位移台102到达Z轴极限位置光电探测器探测值与设定目标值的差值仍不在设定范围内，则位移台102继续重复在Y轴运动设定距离并判断光电探测器105探测值与设定目标值的差值是否在设定范围内，直至差值位于设定范围内或位移台运动至Y轴极限位置；如果位移台102到达Y轴极限位置光电探测器105探测值与设定目标值的差值仍不在设定范围内，则位移台102继续重复在X轴运动设定距离并判断光电探测器105探测值与设定目标值的差值是否在设定范围内，直至差值位于设定范围内或位移台102运动至X轴极限位置；如果位移台102运动至X轴极限位置，判定为超出调节范围，重新设定目标值，再次进行判断及调节，直至光电探测器105探测值与设定目标值的差值在设定范围内；最终得到设定的单脉冲能量输出。
透镜组101可以是一组也可以是多组的组合(透镜加电动位移台作为整体为一组)，透镜组101为球面镜、或非球面镜、或者柱面镜。
激光器输出单脉冲能量随位移台位移量变化关系如图2所示，通过图2拟合可以得到位移量S＝A*E^2+B*E+C(E为单脉冲能量，S为位移量，A、B、C为拟合得到的参数)。
图3所示为采用开环控制方式的工作示意图，适合精度要求不是特别高的条件。
图3所示方案，预先在控制系统106中写入位移量公式，设定好输出单脉冲能量，则控制系统106利用该公式直接给出输出控制信号，控制超小型电动位移台102移动，带动聚焦透镜组101移动，从而实现输出激光单脉冲能量达到设定值。
图4所示为现有技术被动调Q激光器单脉冲能量长期稳定性，单脉冲能量波动大约10％，图5为采用本发明的闭环控制系统得到的被动调Q激光器单脉冲能量的长期稳定性，波动小于2％。
图6所示为被动调Q激光器没有温度控制，没有闭环控制的时候，输出单脉冲能量随温度变化趋势，温度越高，输出单脉冲能量越低；当加入本发明的闭环控制以后，输出单脉冲能量稳定性大大提高，这说明本发明的应用可以降低激光器对温控的要求，甚至可以不用温控，从而进一步简化激光器的控制电路和体积等。
上述的实施例仅例示性说明本发明创造的原理及其功效，以及部分运用的实施例，而非用于限制本发明；应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种被动调Q激光器单脉冲能量自动化调节方法，其特征在于，该方法涉及的被动调Q激光器包括：
聚焦透镜组；
分光镜，大部分激光经过分光镜输出，少部分光经过光电探测器接收以后反馈给控制系统；
光电探测器，接收反馈光，将光信号转换为电信号反馈给闭环控制系统；
控制系统，控制激光二极管驱动和电动位移台实现单脉冲能量自动化调节；
三维电动位移台，用于控制聚焦透镜组的位置；
激光二极管驱动，驱动激光二极管输出泵浦光；
其中，当采用开环单脉冲时，能量大小自动调节过程为：设定好目标输出单脉冲能量值，打开激光二极管驱动，激光器开始工作，控制系统按照预设程序控制电动位移台移动，位移台带动聚焦透镜组移动到程序设定位置，激光器输出目标单脉冲能量值；
当采用闭环单脉冲时，能量自动化调节过程为：设定需要输出单脉冲能量值，打开激光二极管驱动，激光器工作以后，输出激光一部分通过分光镜分光以后输出，另一个部分反馈到光电探测器上，光电探测器将光信号转换为电信号，该电信号输入到控制系统以后，控制系统输出信号自动控制激光二极管驱动电流和电动位移台产生位移，位移台带动透镜组移动，当光电探测器探测值与设定目标值的差值在设定范围内时，位移台不移动；当光电探测器探测值与设定目标值的差值超过设定范围时，位移台在X轴移动一设定距离，判断光电探测器探测值与设定目标值的差值是否在设定范围内，如果是，停止运动；如果不是，位移台在Y轴移动一设定距离，判断光电探测器探测值与设定目标值的差值是否在设定范围内，如果是，停止运动；如果不是，位移台在Z轴移动一设定距离，判断光电探测器探测值与设定目标值的差值是否在设定范围内，如果是，停止运动；
如果不是，位移台继续重复在Z轴运动设定距离并判断光电探测器探测值与设定目标值的差值是否在设定范围内，直至差值位于设定范围内或位移台运动至Z轴极限位置；如果位移台到达Z轴极限位置光电探测器探测值与设定目标值的差值仍不在设定范围内，则位移台继续重复在Y轴运动设定距离并判断光电探测器探测值与设定目标值的差值是否在设定范围内，直至差值位于设定范围内或位移台运动至Y轴极限位置；如果位移台到达Y轴极限位置光电探测器探测值与设定目标值的差值仍不在设定范围内，则位移台继续重复在X轴运动设定距离并判断光电探测器探测值与设定目标值的差值是否在设定范围内，直至差值位于设定范围内或位移台运动至X轴极限位置；如果位移台运动至X轴极限位置，判定为超出调节范围，重新设定目标值，再次进行判断及调节，直至光电探测器探测值与设定目标值的差值在设定范围内；最终得到设定的单脉冲能量输出。
2.根据权利1所述的单脉冲能量自动化调节方法，其特征在于，所述聚焦透镜组的透镜数量大于等于1，透镜的材料为玻璃或者塑料，透镜可以是球面镜、非球面、柱透镜中的一种。
3.根据权利2所述的单脉冲能量自动化调节方法，其特征在于，所述分光镜分光比大于1:1。
4.根据权利3所述的单脉冲能量自动化调节方法，其特征在于，光电探测器响应时间小于1s，其材料可以是光敏半导体或热释电或者热电堆。
5.根据权利4所述的单脉冲能量自动化调节方法，其特征在于，控制系统为内部包含高速数字模拟转换采样电路的微控制处理器，同时控制激光二极管驱动和电动位移台。
6.根据权利5所述的单脉冲能量自动化调节方法，其特征在于，所述激光二极管驱动电流可以外部调节。
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