CN112670822A - 消除反射激光对半导体激光器恒功率控制影响的方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种消除反射激光对半导体激光器恒功率控制影响的方法和系统。首先获取利用斜坡发生器的恒流激光器光路上对光电传感器校验第二功率‑光电传感器测量值映射表，然后再利用斜坡发生器及光电传感器对发射状态下的恒流激光器校正得到第二功率‑电流测量值映射表。本发明先通过获得的基于斜坡发生器检测得到的第二功率‑光电传感器测量值映射表，再利用相同的斜坡发生器，相同的斜坡电流的作用，对在工作场景中的半导体激光器进行功率校正，进而避免工作场景中，光路及器件的影响，导致半导体激光器输出功率不准确问题，提供半导体激光器实际工作输出功率控制的精度，消除光路及器件对激光器功率的影响。

Description

消除反射激光对半导体激光器恒功率控制影响的方法和系统

技术领域

本发明属于激光控制技术，具体涉及一种恒流驱动激光器消除光路中反射对功率的控制技术。

背景技术

精密激光加工、激光医疗等应用场景中均需要对激光功率实施精确的控制，获知使用时激光功率的大小。

现有技术之一，如图1所示，基于恒流驱动，利用查表--恒定电流控制方法，其主要由控制系统101、恒流驱动器102、半导体激光器103、功率-电流映射表104组成。该方法将半导体激光器103输出激光功率与驱动电流之间的关系作为查找表储存在功率-电流映射表104中，用户使用时从表中找出所需功率对应的电流并将恒流驱动器102设定到该值后，得到所需激光功率，表中存储的映射关系点数越多则设定功率越精确。这种方法存以下问题：功率-电路测量映射表104中的内容须由专门技术人员现场进行测量并写入设备中，用户无法自己进行、人工测量的对应功率点数有限未测量间隔需要采用插值法计算求得存在一定误差。随着使用时间增加激光器老化后实际激光输出功率与电流关系发生变化造成输出功率误差增大，且只能通过频繁人工的测量-写入映射表来解决。

现有技术之二，如图2所示，基于半导体激光器恒功率控制，其主要由控制系统201、运算器放大器202、半导体激光器203、光电转换器204、功率-光电传感器测量值映射表205组成。该方法首先将人工测量得到的激光功率-光电传感器采集值对应储存在功率-光电传感器测量值映射表205 中，使用时通过控制系统201将功率设定值转换为光电传感器测量值输出给运算放大器202。运算放大器202、光电传感器204、半导体激光器203 组成了一个闭环的恒定功率控制系统，当光电传感器204测量到的激光功率降低时运算放大器202提高其输出电压直到激光功率重新回到设定值。由于光电传感器的光-电转换比例变化量远小于激光器的斜效率k和阈值电流Ith的变化，因此在闭环控制下激光输出功率可以保持不变。这种控制方法多用在光通信行业小功率半导体激光器功率控制，由于其激光输出功率很小通过限制运算放大器202的输出功率和电流即可很好的保护半导体激光器203不会过载。当这种方法应在中大功率半导体激光系统中时其缺陷逐渐暴露，首先大功率半导体激光器的驱动电流和电压的离散性和差值且随着激光器自身硅片结温发生较大波动，采用限制运算放大器输出功率的方案会造成，半导体激光器驱动不足造成浪费。如果出现过驱动造成过载损坏；再用限制功率输出电流的方案，会造成接近电流限制点时激光功率震荡输出。

在大功率激光应用场景中需要对激光功率进行检测，通常采用激光器背光泄露测量激光功率，如图4所示；或利用输出分光测量激光功率，如图5所示；通过测量激光二极管背光泄漏的微小激光进行测量，或利用分光装置将部分输出激光引入到光电传感器中。上述测量过程中，部分激光通过漫反射回到光纤中，根据光路可逆原理反射激光不可避免会照射到光电传感器中；由于额外激光的加入。造成反馈回路认为自身发射的激光功率增大。进而在运算放大器的调节下自动减少激光功率输出；但在光电传感器位置测量到的信号值却未发生变化。由此造成实际激光输出功率下降的问题，这在很多精密激光加工照射镜面材料如晶圆时产生极大的功率误差。

为了解决上述问题，现有采用双回路恒功率控制系统，如图3所示，该方法由控制系统301、运算放大器302、恒流驱动器303、半导体激光器 304、光电传感器305、功率-光电传感器测量值映射表306组成。该方法与传统方法二相比增加了恒流驱动器303作为内部控制回路，激光器在始终工作在恒定电流状态，解决了中大功率半导体激光功率控制过程中，激光器的效率、驱动过载、稳定性的问题。但外部的恒定功率控制环路与传统方案二相比没有变化，由反射激光带来的输出功率降低仍旧无法避免。

发明内容

本发明的目的在于提供一种消除反射激光对半导体激光器恒功率控制影响的方法及系统。

本发明的技术方案之一为：消除反射激光对半导体激光器恒功率控制影响的方法，首先获取利用斜坡发生器的恒流激光器光路上对光电传感器校验第二功率-光电传感器测量值映射表，然后再利用斜坡发生器及光电传感器对发射状态下的恒流激光器校正得到第二功率-电流测量值映射表。

光电传感器具有第一功率-光电传感器测量值映射表和第二功率-光电传感器测量值映射表。其中第一功率-光电传感器测量值映射表光电传感器自身产品标定的，用于半导体激光器光路工作状态下半导体激光器功率的检测；第二功率-光电传感器测量值映射表用于恒流半导体激光器工作发射状态，利用利用斜坡发生器对恒流半导体激光器功率-电流测校正。

第一功率-电流测量值映射表是校正之前的恒流激光器的映射表。

上述恒流激光器光路包括激光器，激光器输出光路上的场镜，场镜包括但不限于分光镜，反射镜，透镜中的一种或几种组合。

本发明在消除反射激光对半导体激光器恒功率控制的影响过程中，先通过获得的利用斜坡发生器检测得到基于激光器及其光路应用场景下的第二功率-光电传感器测量值映射表，再利用相同的斜坡发生器，相同的斜坡电流的作用，对在工作场景中的半导体激光器进行功率校正，进而避免工作场景中，光路及器件的影响，导致半导体激光器输出功率不准确问题，提供半导体激光器实际工作输出功率控制的精度，消除光路及器件对激光器功率的影响。

进一步优选的技术特征是：发射状态下的恒流激光器包括恒流激光器及光路工作模式，恒流激光器工作状态功率检测模式。

进一步优选的技术特征是：获取第二功率-电流测量值映射表的方法包括：斜坡发生器产生斜坡电流，恒流驱动器依据斜坡电流信号驱动半导体激光器输出，恒流激光器的光路输出阻断，光电传感器检测通过第二功率- 光电传感器测量值映射得到对应的功率测量值，将检测得到的功率测量值与对应的实际恒流驱动器输出电流值写入功率-电流测量值映射表中。

进一步优选的技术特征是：恒流激光器的光路输出阻断方法包括，在恒流激光器输出光路上设置光闸或机械快门，恒流激光器发射状态关闭光闸或机械快门。

进一步优选的技术特征是：获得第二功率-光电传感器测量值映射表的方法包括，斜坡发生器产生斜坡电流，恒流驱动器依据斜坡电流信号驱动半导体激光器输出，恒流激光器的光路输出，光电传感器检测获得的功率测量值，同时利用激光功率表测量到的真实功率数值，将光电传感器的功率测量值和激光功率表测量到的真实功率数值分别写入，得到第二功率- 光电传感器测量值映射表。

进一步优选的技术特征是：所述获得第二功率-光电传感器测量值映射表方法包括在消除反射激光对半导体激光器恒功率控制影响的系统出厂前完成。

上述第二功率-光电传感器测量值映射表的获得在激光系统产品出厂之前完整，激光系统产品使用过程中不用再做标定，激光系统产品使用过程只需根据需要，自动完成对激光器的校正，减少使用过程中设备投入，便于使用操作。

本发明技术方案之二为：消除反射激光对半导体激光器恒功率控制影响的系统，它包括恒流驱动器，半导体激光器，恒流驱动器电流输出到半导体激光器，半导体激光器的光路上设有光电传感器，其特征在于，它还包括：

斜坡发生器，用于对半导体激光器施加设定斜率的斜坡电流；对半导体激光器功率或光电传感器实施校正；

机械快门或光闸，半导体激光器的光路输出端，用于切换控制半导体激光器功率输出模式，半导体激光器功率校正模式和光电传感器校正模式；

选择器，用于选择控制恒流驱动器工作模式；

控制单元，用于控制输出机械快门和/或选择器动作指令，可读写存储单元存储单元的读写状态指令；

可读写存储单元，用于读写存储第二功率-电流测量值映射表，功率- 电流测量值映射表。

上述激光系统产品系统可实现使用者在使用过程中，可根据需要自行对激光器的电流功率进行校正得到第二功率-电流测量值映射表。本发明系统结构简单，器件少。

进一步优选的技术特征是：它还包括激光功率表，用于对光电传感器进行校正。

激光功率表系激光功率计量标准的仪表。

进一步优选的技术特征是：选择器包括双路选择器，双路选择器第一信号输入端连接斜坡发生器，第二信号输入端连接读取功率-电流测量值映射表，双路选择器的输出端连接恒流驱动器，双路选择器控制信号输入端连接控制单元；半导体激光器的输出光路上设有光闸或机械快门，光闸或机械快门与半导体激光器之间的光路上设有分光镜，分光镜的输出光路上设光电传感器，光电传感器输出信号被用于比对功率-光电传感器测量值映射表；控制单元的读写控制信号端分别与功率-电流测量值映射表，功率- 光电传感器测量值映射表。

进一步优选的技术特征是：它还包括光电传感器的第一功率-光电传感器测量值映射表。

本发明可以在激光产品出厂后，利用自身装置的已校准光电传感器依据要求对激光产品进行二次功率校准，无需计量设备；二次校准可由设备自动完成，校准过程中光闸或机械快门都处于关闭状态，不会有外部的反射激光通过光纤进入到激光器内部干扰测量。光电光感器的校准过程实际是对整个光学传输通路上的全部器件进行的，使用方法与采用成品已校准的光电传感器相比可以消除分光镜的分光误差、激光传输损失。激光器在正常工作模式时，选择器都处于控制光电传感器不实际参与工作，及时加工高反射材料时，也不会对激光功率的稳定性造成影响。

附图说明

图1传统半导体激光器恒流驱动示意图。

图2传统半导体激光器恒功率控制示意图。

图3传统双回路恒功率控制系统示意图。

图4传统利用激光器背光泄露测量激光功率示意图。

图5传统利用输出分光测量激光功率示意图。

图6本发明实施例系统示意图。

图7本发明实施例系统工作模式示意图。

图8本发明实施例系统光电传感器校正模式示意图。

图9本发明实施例系统激光器校正模式示意图。

图10斜坡发生器输出信号示意图。

具体实施方式

下列具体实施方式用于对本发明权利要求技术方案的解释，以便本领域的技术人员理解本权利要求书。本发明的保护范围不限于下列具体的实施结构。本领域的技术人员做出的包含有本发明权利要求书技术方案而不同于下列具体实施方式的也是本发明的保护范围。

如图6所示，实施例的系统中半导体激光器2通过恒流驱动器1实现半导体激光器2恒流驱动控制，恒流驱动器1的输出连接半导体激光器2。半导体激光器2的输出管路上设置分光镜3。分光镜3的透射光路上设置机械快门4，分光镜3的反射光光路上设置光电传感器7。

控制单元12，可采用微处理器实现。

可读写存储单元内部储功率-电流测量值映射表，第一功率-光电传感器测量值映射表和第二功率-光电传感器测量值映射表。第一功率-光电传感器测量值映射表系光电传感器产品自身功率-光电传感器映射关系(标定得到)，第二功率-光电传感器测量值映射表是本发明结构激光系统(包括光路器件)校正获得的功率-光电传感器映射关系。第一功率-光电传感器测量值映射表可用于常规激光器光采样检测；第二功率-光电传感器测量值映射表用于对激光器进行二次校正时使用。实施例中只采用了第二功率- 光电传感器测量值映射表10。

双路选择器6系双路信号通断选择开关，其控制信号输入端连接控制单元12，其第一信号输入端连接斜坡发生器9，第二信号输入端连接读取功率-电流测量值映射表。对激光器进行二次校正之前，功率-电流测量值映射表是第一功率-电流测量值映射表，对激光器进行二次校正之后，功率 -电流测量值映射表是第二功率-电流测量值映射表8。

控制单元12的读写控制信号端分别与功率-电流测量值映射表，功率- 光电传感器测量值映射表。

上述系统激光系统生产，制造集成的结构、

为了获得第二功率-光电传感器测量值映射表10，作为非集成部件还包括激光功率表指的是计量标准的仪表，它是常规的激光功率计量装置。本实施例中将激光功率表设置在机械快门的输出光路上。

斜坡发生器9一种能够周期性产生从零逐渐递增到额定电流设定值的信号发生器。实施例中按图10所示，在T0时刻输出电流设定值I0,在T1 时刻输出电流设定值I1；在T2时刻输出电流设定值I2；在T3时刻输出电流设定值I3之后依次类推。其中T0、T1、T2……的最小时间为0.1秒；I0、 I1、I2的电流间隔为激光器额定电流的百分之一。半导体激光器的额定电流为10安培则I0、I1、I2…………依次为0.1、0.2、0.3、0.4……。

控制器12控制实现本系统的三种模式，分别为系统工作模式如图7 所示；获得第二功率-光电传感器测量值映射表10的光电传感器校正模式，如图8所示；激光器输出功率二次校正模式如图9所示。

如图7所示，是系统使用状态的场景，控制单元12将双路选择器6 的输入与功率-电流测量值映射表8相连，控制功率-电流测量值映射表处于只读状态，控制机械快门4开启。系统启动工作，从功率-电流测量值映射表中获取需要的功率对应电流值，通过双路选择器6送入恒流驱动器1 中；恒流驱动器1按照输入的电流值驱动半导体激光器2、半导体激光器2 产生的激光通过分光镜3后，通过机械快门4进入光纤耦合6后向外传播。其它部件在此工作模式中处于停止状态无功能。功率-电流测量值映射表中出储存有如下数据，为第一功率-电流测量值映射表：

时间点	设定功率	输出电流
			T0	Ps0	Ld0
T1	Ps1	Ld1
			T2	Ps2	Ld2
T3	Ps3	Ld3
			T4	Ps4	Ld4
T5	Ps5	Ld5
			T6	Ps6	Ld6
……	……	……

表中的时间点间隔的选取仅仅影响本方法最终输出激光的精确程度，对本发明所述的方法无关。

当需要输出的激光功率为PsN时利用功率-电流测量值映射表中的数据计算出所需的电流值，其计算方法如下：逐个比较PsN与储存的设定功率Ps0、Ps1、Ps2……找到首个大于PsN大于设定功率的时间点A和上一个时间点B，通过查表可知这两个时间点的设定功率为PsA、PsB输出电流为LdA、LdB(A、B分别表示时间点序号)。则实际需要输出的电流值LdN＝ (LdA–LdB)/(PsA-PsB)*PsN。恒流驱动器设定为该值LdN后激光器即可输出所需的功率PsN。

如图8所示，该过程可以是在系统产品集成后，实施的对光电传感器的校正场景；可以是厂家或检测方完成；控制单元12控制双路选择器6 的输入端与斜坡发生器9相连；控制单元12控制功率-光电传感器测量值映射表10处于写入状态，控制机械快门4处于打开状态，激光进入光纤后照射到激光功率表11中，控制双路选择器6的输入与斜坡发生器9相连。斜坡发生器9在不同时刻产生的电流信号I0、I1、I2……的作用下恒流驱动器将按照一定的间隔输出恒定电流驱动半导体激光器2，而在此时激光功率表11测量到的真实功率数值和光电传感器7的测量值被同时储存在得到第二功率-光电传感器测量值映射表中10。第二功率-光电传感器映射表采用如下方式：

时间点	光电传感器测量值	真实功率
			T0	Pd0	Pr0
T1	Pd1	Pr1
			T2	Pd2	Pr2
T3	Pd3	Pr3
			T4	Pd4	Pr4
T5	Pd5	Pr5
			T6	Pd6	Pr6
……	……	……

如图9所示，该模式有系统，在完成光电传感器校正模式对光电传感器校正后，系统使用后的校准场景。控制单元12控制双路选择器的输出端与斜坡发生器9相连，控制功率-电流测量值映射表8和第二功率-光电传感器测量值映射表10处于写入状态、控制机械快门4处于关闭状态，激光无法进入光纤耦合输出。斜坡发生器9在不同时刻产生的电流信号I0、 I1、I2……的作用下恒流驱动器将按照一定的间隔输出恒定电流驱动半导体激光器2。此时光电传感器7获得的测量值为PdN后，通过第二功率- 光电传感器测量值映射表10中的数据可计算出真实的激光输出功率,计算方法如下：逐个比较PdN与表中光电传感器测量值Pd0、Pd1、Pd2……找到首个大于PdN的时间点C和上一个时间点D，假设这两个时间点的真实功率为PrC和PrD，则测量到的实际激光功率为PsN＝ (PrC-PrD)/(PdC-PsD)*PsN。计算出此时刻的真实激光输出功率PsN将该值和实际恒流驱动器输出电流值LdN写入功率-电流测量值映射表8对应的时间点中。由于斜坡发生器9的输出值从0逐渐增加到激光器额定电流值(如图10所示)，可以得到该半导体激光器的电流-输出激光功率完整特性列表。

获得第二功率-光电传感器测量值映射表10的光电传感器校正模式，和激光器输出功率二次校正模式两个模式中，斜坡发生器9的信号产生方法参数相同。

在此工作模式中机械快门4遮挡激光后，虽然也存在轻微的反射激光回到半导体激光器2后影响光电传感器7测量值，但反射率相对随机的待加工工件的来说是恒定的并不会造成激光功率无规律变化在实际使用中的影响可忽略。

在通过恒流激光器系统二次校正之后，再利用获得的第二功率-电流测量值映射表进行恒流激光控制功率输出，即为消除光路反射影响的输出功率。

Claims (10)

1.一种消除反射激光对半导体激光器恒功率控制影响的方法，其特征是，首先获取利用斜坡发生器的恒流激光器光路上对光电传感器校验第二功率-光电传感器测量值映射表，然后再利用斜坡发生器及光电传感器对发射状态下的恒流激光器校正得到第二功率-电流测量值映射表。

2.如权利要求2所述消除反射激光对半导体激光器恒功率控制影响的方法，其特征是，发射状态下的恒流激光器包括恒流激光器及光路工作模式，恒流激光器工作状态功率检测模式。

3.如权利要求1所述消除反射激光对半导体激光器恒功率控制影响的方法，其特征是，获取第二功率-电流测量值映射表的方法包括：斜坡发生器产生斜坡电流，恒流驱动器依据斜坡电流信号驱动半导体激光器输出，恒流激光器的光路输出阻断，光电传感器检测通过第二功率-光电传感器测量值映射得到对应的功率测量值，将检测得到的功率测量值与对应的实际恒流驱动器输出电流值写入功率-电流测量值映射表中。

4.如权利要求3所述消除反射激光对半导体激光器恒功率控制影响的方法，其特征是，恒流激光器的光路输出阻断方法包括，在恒流激光器输出光路上设置光闸或机械快门，恒流激光器发射状态关闭光闸或机械快门。

5.如权利要求1所述消除反射激光对半导体激光器恒功率控制影响的方法，其特征是，获得第二功率-光电传感器测量值映射表的方法包括，斜坡发生器产生斜坡电流，恒流驱动器依据斜坡电流信号驱动半导体激光器输出，恒流激光器的光路输出，光电传感器检测获得的功率测量值，同时利用激光功率表测量到的真实功率数值，将光电传感器的功率测量值和激光功率表测量到的真实功率数值分别写入，得到第二功率-光电传感器测量值映射表。

6.如权利要求1或5所述消除反射激光对半导体激光器恒功率控制影响的方法，其特征是，所述获得第二功率-光电传感器测量值映射表方法包括在消除反射激光对半导体激光器恒功率控制影响的系统出厂前完成。

7.一种消除反射激光对半导体激光器恒功率控制影响的系统，它包括恒流驱动器，半导体激光器，恒流驱动器电流输出到半导体激光器，半导体激光器的光路上设有光电传感器，其特征在于，它还包括：

斜坡发生器，用于对半导体激光器施加设定斜率的斜坡电流；对半导体激光器功率或光电传感器实施校正；

机械快门或光闸，设在半导体激光器的光路输出端，用于切换控制半导体激光器功率输出模式，半导体激光器功率校正模式和光电传感器校正模式；

选择器，用于选择控制恒流驱动器工作模式；

控制单元，用于控制输出机械快门和/或选择器动作指令，可读写存储单元存储单元的读写状态指令；

可读写存储单元，用于读写存储第二功率-光电传感器测量值映射表，功率-电流测量值映射表。

8.如权利要求7所述消除反射激光对半导体激光器恒功率控制影响的系统，其特征在于它还包括激光功率表，用于对光电传感器进行校正，得到第二功率-光电传感器测量值映射表。

9.如权利要求7所述消除反射激光对半导体激光器恒功率控制影响的系统，其特征是，选择器包括双路选择器，双路选择器第一信号输入端连接斜坡发生器，第二信号输入端连接读取功率-电流测量值映射表，双路选择器的输出端连接恒流驱动器，双路选择器控制信号输入端连接控制单元；半导体激光器的输出光路上设有光闸或机械快门，光闸或机械快门与半导体激光器之间的光路上设有分光镜，分光镜的输出光路上设光电传感器，光电传感器输出信号被用于比对功率-光电传感器测量值映射表；控制单元的读写控制信号端分别与功率-电流测量值映射表，功率-光电传感器测量值映射表。

10.如权利要求7或8所述消除反射激光对半导体激光器恒功率控制影响的系统，其特征是，它还包括光电传感器的第一功率-光电传感器测量值映射表。

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