CN111930161B - 一种激光器的仿真控制方法和系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种激光器的仿真控制方法，根据仿真激光器的内部结构及内部结构所涉及部件的材料热感应值构建三维仿真模型，将仿真数据输入三维仿真模型获取仿真三维伪彩色图，从三维伪彩色图中获取超过设定应力阈值的目标区域，调整仿真激光器目标区域的温度以使目标区域的应力值低于设定应力阈值，将调整后目标区域的温度作为平衡温度，在测试激光器与仿真激光器对应的目标区域内设置双向半导体温控器，根据温度分布彩色图调节双向半导体温控器的加热或制冷，判断测试激光器的目标区域的温度是否处于平衡温度，若是，完成测试激光器的控制。提高激光器输出激光束的指向稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及激光加工设备领域，具体为一种激光器的仿真控制方法和系统。
背景技术
激光器在精密微加工应用中，激光束须准确且稳定地入射到激光扫描、聚焦光学系统中，经过光束变换和整形后实现精确注入待加工材料的特定位置，完成激光光能对材料局部的销蚀。因此，激光束指向稳定性尤为重要。
激光束指向稳定性的因素包括环境温度的随机变化，激光器机械结构在不同温度下会发生不同程度的热形变，即各个元器件的发热量不同或热形变系数不一样，导致部件之间产生热应力，这种应力积累到一定程度就引起部件发生幅度不一样的变形。
作为激光束载体的零部件变形直接改变了各个镜片的反射角、折射角等，从而使激光束偏离原传输路径，激光器的整体表现就是输出光束指向随着环境温度变化而变化，呈现出指向不稳定性。当这种随温度而摇摆不定的光束偏离角度过大，激光器后面的应用平台上各种光学系统就难以与激光束的光轴对接，造成激光器应用平台无法工作。
发明内容
本发明的目的是提供一种提高激光束指向稳定性的仿真控制方法和系统。
为了实现上述目的，采用的技术方案为：一种激光器的仿真控制方法，其包括以下步骤：
S1：根据仿真激光器的内部结构及内部结构所涉及部件的材料热感应值构建三维仿真模型；
S2：将仿真数据输入三维仿真模型获取仿真三维伪彩色图；从三维伪彩色图中获取超过设定应力阈值的目标区域，调整仿真激光器目标区域的温度以使目标区域的应力值低于设定应力阈值，将调整后目标区域的温度作为平衡温度；
S3：在测试激光器与仿真激光器对应的目标区域内设置双向半导体温控器；
S4：采集测试激光器的温度分布彩色图；根据温度分布彩色图调节双向半导体温控器的加热或制冷，判断测试激光器的目标区域的温度是否处于平衡温度；若是，完成测试激光器的控制；若否，重复S4。
进一步地，在S2之前还包括S20，S20：在构建的三维仿真模型中设置原点位置以创建三维坐标系；
S2中从三维伪彩色图中获取超过设定应力阈值的目标区域，包括：
基于三维坐标系，从三维伪彩色图中获取超过设定应力阈值的三维坐标点；根据三维坐标点确定目标区域。
进一步地，仿真数据包括热源的位置数据、热源的温度数据和环境温度数据；
S2包括：将热源的位置数据、热源的温度数据和环境温度数据输入三维仿真模型获取仿真三维伪彩色图。
进一步地，S3中采集测试激光器的温度分布彩色图；根据温度分布彩色图调节双向半导体温控器的加热或制冷，包括：
根据温度分布彩色图获取目标区域的温度；比较测试激光器目标区域的温度与平衡温度；
在测试激光器目标区域的温度小于平衡温度情况下，调节目标区域处的双向半导体温控器的加热量；
在测试激光器目标区域的温度大于平衡温度情况下，调节目标区域处的双向半导体温控器的制冷量；
在测试激光器目标区域的温度处于平衡温度情况下，保持目标区域对应的双向半导体温控器的温控数据不变。
进一步地，激光器的仿真控制方法还包括：设置CCD相机观测测试激光器输出的激光束指向点的光斑位置；根据CCD相机测得的光斑位置，获取激光器输出激光束的指向稳定值。
进一步地，目标区域包括单模泵浦源、多模泵浦源、高压驱动器、废光吸收头和遮光板；
S3中在测试激光器与仿真激光器的对应目标区域内设置双向半导体温控器，包括：在测试激光器的单模泵浦源、多模泵浦源、高压驱动器、废光吸收头和遮光板处设置双向半导体温控器。
进一步地，S1包括：根据仿真激光器的内部结构构建三维模型的结构特征；根据材料热感应值赋值结构特征获取三维仿真模型。
本发明还提供一种激光器的仿真控制系统，其包括：
构建模块，其被配置为根据仿真激光器的内部结构及内部结构所涉及部件的材料热感应值构建三维仿真模型；
获取模块，其被配置为将仿真数据输入三维仿真模型获取仿真三维伪彩色图，从三维伪彩色图中获取超过设定应力阈值的目标区域，调整仿真激光器目标区域的温度以使目标区域的应力值低于设定应力阈值，将调整后目标区域的温度作为平衡温度；
设置模块，其被配置为在测试激光器与仿真激光器对应的目标区域内设置双向半导体温控器；
处理模块，其被配置为采集测试激光器的温度分布彩色图；根据温度分布彩色图调节双向半导体温控器的加热或制冷，判断测试激光器的目标区域的温度是否处于平衡温度；若是，完成测试激光器的控制；若否，重复处理模块。
与现有技术相比，本发明的技术效果为：在仿真激光器的仿真环境中，通过调整仿真激光器目标区域的温度以使目标区域的应力值低于设定应力阈值，将调整后目标区域的温度作为平衡温度，平衡温度也就是高压驱动器在特定温度维持其温度不变，并且高压驱动器模型处于平衡温度下其应力值低于设定应力阈值。
这样在测试激光器与仿真激光器对应的目标区域内设置双向半导体温控器，在环境温度变化的情况下，通过采集测试激光器的温度分布彩色图。根据温度分布彩色图调节双向半导体温控器的加热或制冷，保持测试激光器的温度处于平衡温度，进而确保测试激光器的应力值小于设定的应力阈值，避免测试激光器的目标区域中的结构件变形，提高激光器输出激光束的指向稳定性。
附图说明
图1为本发明激光器的仿真控制方法流程示意图；
图2为测试激光器内部结构的示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述。
如图1所示，本发明一具体实施例提供一种激光器的仿真控制方法，其包括以下步骤：
S1：根据仿真激光器的内部结构及内部结构所涉及部件的材料热感应值构建三维仿真模型。
根据仿真激光器的内部结构构建三维模型的结构特征。根据材料热感应值赋值结构特征获取三维仿真模型。
仿真激光器的内部结构包括单模泵浦源模型、多模泵浦源模型、高压驱动器模型、废光吸收头模型和遮光板模型，每个仿真激光器的内部结构模型对应特定的材料热感应值，热感应值为仿真激光器的内部结构的传热系数。将材料热感应值赋值结构特征获取三维仿真模型。
S2：将仿真数据输入三维仿真模型获取仿真三维伪彩色图。从三维伪彩色图中获取超过设定应力阈值的目标区域，调整仿真激光器目标区域的温度以使目标区域的应力值低于设定应力阈值，将调整后目标区域的温度作为平衡温度。
仿真数据包括热源的位置数据、热源的温度数据和环境温度数据。将热源的位置数据、热源的温度数据和环境温度数据输入三维仿真模型获取仿真三维伪彩色图。热源的位置数据即模拟激光器的结构件生成激光束产生温度的位置，热源的温度数据即热源的位置处的温度大小。环境温度数据为仿真模型所处仿真环境的温度，环境温度数据一般设定为常温。
仿真三维伪彩色图的每个像素值对应一个应力值，通过得到三维仿真模型各处因温度而产生的应力值，也就是能够获知仿真激光器的结构件模型各处的应力值。内部结构模型的应力值超过设定应力阈值的区域即为目标区域。
设定应力阈值为引起结构件产生形变的最小应力。比如说激光器的高压驱动器对应一个设定应力阈值，处于仿真环境的高压驱动器因其自身温度而产生的内应力大于设定应力阈值，高压驱动器将产生形变。通过调整仿真激光器目标区域的温度，以使高压驱动器模型在调整后的温度下的应力值低于设定应力阈值，将调整后目标区域的温度作为平衡温度。
平衡温度也就是高压驱动器在特定温度维持其温度不变，并且高压驱动器模型处于平衡温度下其应力值低于设定应力阈值。也就是在激光器全部内部结构件中，每个结构件均处于一个平衡温度防止引起结构件形变。
S3：在测试激光器与仿真激光器对应的目标区域内设置双向半导体温控器。
根据在三维仿真模型中确定的仿真激光器受到应力值超过设定应力阈值的目标区域，在测试激光器中对应的目标区域内设置双向半导体温控器。测试激光器为实际的激光器产品，比如测试激光器的型号为FS-10，FS-10激光器为高功率飞秒激光器。
双向半导体温控器的型号可以为tec1-12706，双向半导体温控器的主体呈薄板状，双向半导体温控器的两侧板面能够产生温差。
双向半导体温控器(Thermo Electric Cooler，简称TEC)所采用的半导体材料主要为碲化铋，加入不纯物经过特殊处理而成N型或P型半导体温差元件，当一块N型半导体材料和一块P型半导体材料联结成的热电偶对中有电流通过时，两端之间就会产生热量转移，热量就会从一端转移到另一端，从而产生温差形成冷热端。
当电流方向改变时，双向半导体温控器的冷端和热端就会反转，也就是双向半导体温控器初始的热端转换为冷端，双向半导体温控器初始的冷端转换为热端。因此，通过双向半导体温控器来对目标区域进行加热或制冷。
S4：采集测试激光器的温度分布彩色图，根据温度分布彩色图调节双向半导体温控器的加热或制冷，判断测试激光器的目标区域的温度是否处于平衡温度，若是，完成测试激光器的控制，若否，重复S4。
可以通过热像仪采集激光器的温度分布彩色图，观察激光器内部结构件各处表面的温度场分布。
具体地，本步骤S4中根据温度分布彩色图获取目标区域的温度，比较测试激光器目标区域的温度与平衡温度。
在测试激光器目标区域的温度小于平衡温度情况下，调节目标区域处的双向半导体温控器的加热量。
在测试激光器目标区域的温度大于平衡温度情况下，调节目标区域处的双向半导体温控器的制冷量。
在测试激光器目标区域的温度处于平衡温度情况下，保持目标区域对应的双向半导体温控器的温控数据不变。
如图2所示，下面通过型号为FS-10测试激光器为例具体说明的仿真控制过程。
根据仿真激光器的内部结构中单模泵浦源模型、多模泵浦源模型、高压驱动器模型、废光吸收头模型和遮光板模型，以及内部结构模型对应的材料热感应值构建三维仿真模型。
将仿真数据输入三维仿真模型获取仿真三维伪彩色图。从三维伪彩色图中获取超过设定应力阈值的目标区域，目标区域中的部件模型为单模泵浦源、多模泵浦源和高压驱动器，调整仿真激光器目标区域的温度以使目标区域的应力值低于设定应力阈值，将调整后目标区域的温度作为平衡温度。
在型号FS-10测试激光器的单模泵浦源1、多模泵浦源2和高压驱动器3处设置第一双向半导体温控器11、第二双向半导体温控器21和第三双向半导体温控器31，光束射出方向为A。
通过热像仪采集测试激光器的温度分布彩色图，根据温度分布彩色图获取单模泵浦源1、多模泵浦源2和高压驱动器3对应的双向半导体温控器的温度，比较测试激光器目标区域的温度与平衡温度。
测试激光器中单模泵浦源1温度50℃处于平衡温度50±2℃，保持单模泵浦源对应的第一双向半导体温控器11的温控数据不变。
在测试激光器中高压驱动器3的温度60℃大于平衡温度55±2℃，调节高压驱动器处的第三双向半导体温控器31的制冷量，以使测试激光器中高压驱动器1的温度处于平衡温度55±2℃。
在测试激光器中多模泵浦源2的温度平衡温度45℃小于平衡温度平衡温度55±2℃情况下，调节目标区域处的第二双向半导体温控器21的加热量，以使测试激光器中多模泵浦源的温度处于平衡温度55±2℃。
本发明中在环境温度变化的情况下，通过保持测试激光器的温度处于平衡温度，进而确保测试激光器的应力值小于设定的应力阈值，避免测试激光器的目标区域中的结构件变形，提高激光器输出激光束的指向稳定性。
本发明激光器的仿真控制方法还包括：设置CCD相机观测测试激光器输出的激光束指向点的光斑位置。根据CCD相机测得的光斑位置，获取激光器输出激光束的指向稳定值。
上述是对本发明在测试激光器输出激光束的指向稳定性的测量。
激光束的指向稳定性参数物理单位为rad/℃，也就是衡量指向稳定性优劣的依据是光束随着环境温度变化而保持指向方位的能力。上述FS-10激光器光束指向稳定性为13～15μrad/℃。本发明中对FS-10激光器进行仿真控制测得激光器光束指向稳定性为5～8μrad/℃，本发明能够明显提高测试激光器的指向稳定性。
本发明一实施例在上述实施例的基础上，在S2之前，还包括：
S20：在构建的三维仿真模型中设置原点位置以创建三维坐标系。
S2中从三维伪彩色图中获取超过设定应力阈值的目标区域，包括：
基于三维坐标系，从三维伪彩色图中获取超过设定应力阈值的三维坐标点。根据三维坐标点确定目标区域。便于获取目标区域的位置。
本发明一实施例提供一种激光器的仿真控制系统，其包括：
构建模块，其被配置为根据仿真激光器的内部结构及内部结构所涉及部件的材料热感应值构建三维仿真模型。
获取模块，其被配置为将仿真数据输入三维仿真模型获取仿真三维伪彩色图，从三维伪彩色图中获取超过设定应力阈值的目标区域，调整仿真激光器目标区域的温度以使目标区域的应力值低于设定应力阈值，将调整后目标区域的温度作为平衡温度。
设置模块，其被配置为在测试激光器与仿真激光器对应的目标区域内设置双向半导体温控器。
处理模块，其被配置为采集测试激光器的温度分布彩色图，根据温度分布彩色图调节双向半导体温控器的加热或制冷，判断测试激光器的目标区域的温度是否处于平衡温度，若是，完成测试激光器的控制，若否，重复处理模块。本发明中提供一种激光器的仿真控制系统中，在环境温度变化的情况下，通过保持测试激光器的温度处于平衡温度，进而确保测试激光器的应力值小于设定的应力阈值，避免测试激光器的目标区域中的结构件变形，提高激光器输出激光束的指向稳定性。
Claims (8)
1.一种激光器的仿真控制方法，其特征在于，其包括以下步骤：
S1：根据仿真激光器的内部结构及内部结构所涉及部件的材料热感应值构建三维仿真模型；
S2：将仿真数据输入所述三维仿真模型获取仿真三维伪彩色图；从所述三维伪彩色图中获取超过设定应力阈值的目标区域，调整仿真激光器目标区域的温度以使所述目标区域的应力值低于所述设定应力阈值，将调整后所述目标区域的温度作为平衡温度；
S3：在测试激光器与所述仿真激光器对应的所述目标区域内设置双向半导体温控器；
S4：采集所述测试激光器的温度分布彩色图；根据所述温度分布彩色图调节所述双向半导体温控器的加热或制冷，判断所述测试激光器的目标区域的温度是否处于平衡温度；若是，完成所述测试激光器的控制；若否，重复S4。
2.根据权利要求1所述激光器的仿真控制方法，其特征在于，在S2之前，还包括：
S20：在构建的三维仿真模型中设置原点位置以创建三维坐标系；
所述S2中从所述三维伪彩色图中获取超过设定应力阈值的目标区域，包括：
基于所述三维坐标系，从所述三维伪彩色图中获取超过设定应力阈值的三维坐标点；根据所述三维坐标点确定目标区域。
3.根据权利要求1所述激光器的仿真控制方法，其特征在于，所述仿真数据包括热源的位置数据、热源的温度数据和环境温度数据；
所述S2包括：将热源的位置数据、热源的温度数据和环境温度数据输入所述三维仿真模型获取仿真三维伪彩色图。
4.根据权利要求1所述激光器的仿真控制方法，其特征在于，
所述S4中采集所述测试激光器的温度分布彩色图；根据所述温度分布彩色图调节所述双向半导体温控器的加热或制冷，包括：
根据所述温度分布彩色图获取目标区域的温度；比较所述测试激光器目标区域的温度与平衡温度；
在所述测试激光器目标区域的温度小于平衡温度情况下，调节所述目标区域处的所述双向半导体温控器的加热量；
在所述测试激光器目标区域的温度大于平衡温度情况下，调节所述目标区域处的所述双向半导体温控器的制冷量；
在所述测试激光器目标区域的温度处于平衡温度情况下，保持所述目标区域对应的所述双向半导体温控器的温控数据不变。
5.根据权利要求1或4所述激光器的仿真控制方法，其特征在于，还包括：
设置CCD相机观测所述测试激光器输出的激光束指向点的光斑位置；
根据所述CCD相机测得的光斑位置，获取所述激光器输出激光束的指向稳定值。
6.根据权利要求2所述激光器的仿真控制方法，其特征在于，所述目标区域包括单模泵浦源、多模泵浦源、高压驱动器、废光吸收头和遮光板；
所述S3中在测试激光器与所述仿真激光器的对应所述目标区域内设置双向半导体温控器，包括：
在测试激光器的单模泵浦源、多模泵浦源、高压驱动器、废光吸收头和遮光板处设置双向半导体温控器。
7.根据权利要求2所述激光器的仿真控制方法，其特征在于，所述S1包括：
根据所述仿真激光器的内部结构构建三维模型的结构特征；根据所述材料热感应值赋值所述结构特征获取三维仿真模型。
8.一种激光器的仿真控制系统，其特征在于，其包括：
构建模块，其被配置为根据仿真激光器的内部结构及内部结构所涉及部件的材料热感应值构建三维仿真模型；
获取模块，其被配置为将仿真数据输入所述三维仿真模型获取仿真三维伪彩色图，从所述三维伪彩色图中获取超过设定应力阈值的目标区域，调整所述仿真激光器目标区域的温度以使所述目标区域的应力值低于所述设定应力阈值，将调整后所述目标区域的温度作为平衡温度；
设置模块，其被配置为在测试激光器与所述仿真激光器对应的所述目标区域内设置双向半导体温控器；
处理模块，其被配置为采集所述测试激光器的温度分布彩色图；根据所述温度分布彩色图调节所述双向半导体温控器的加热或制冷，判断所述测试激光器的目标区域的温度是否处于平衡温度；若是，完成所述测试激光器的控制；若否，重复处理模块。
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