CN112993734B - 一种mopa激光器的高频可变光脉冲信号控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于激光器的光脉冲信号控制方法技术领域，针对现有技术中存在的激励电流的响应时间比较长，导致输出稳定的光脉冲信号需要的时间比较长，不能高频输出稳定的光脉冲信号的技术问题，本发明的目的在于提供一种MOPA激光器的高频可变光脉冲信号控制方法。保持激励电流不变，通过种子脉冲信号周期的变化控制每个光脉冲的激励时间，从而控制光脉冲的周期、峰值功率或能量，高频输出可变光脉冲信号。本方法的可变光脉冲信号特征能通过种子脉冲信号的编组产生多种光脉冲组，适合多种实际需要，从而扩大激光加工的应用领域。本方法的高频特征能大幅提高激光加工的效率，具有显著的经济价值。
Description
技术领域
本发明属于激光器的光脉冲信号控制方法技术领域，具体涉及一种MOPA激光器的高频可变光脉冲信号控制方法。
背景技术
MOPA是主振荡功率放大(Master Oscillator Power-Amplifier)的简称，就是将主振荡器产生的高质量的种子光源进行高功率放大。MOPA激光器有连续和脉冲两种工作模式。当种子光的输出为连续激光时，MOPA激光器输出连续激光，称为MOPA连续激光器；当种子光的输出为脉冲激光时，MOPA激光器输出脉冲激光，称为MOPA脉冲激光器。
MOPA脉冲激光器的输出频率高达兆赫级，平均功率、峰值功率、脉冲频率、脉冲能量和脉冲宽度等参数的调节范围也很大，能适应各种应用的需要。MOPA脉冲激光器具有低功率种子源的良好脉冲特性和高功率放大特性，在保证高光束质量的同时实现了高功率、高能量的输出，这大大拓宽了激光器的应用范围，其加工效率也有很大提高。
图1是MOPA脉冲激光器的常规控制信号时序图，主要控制信号包括主振荡器开关、功率放大器开关、种子源脉冲、激励电流、光脉冲等信号。激励电流信号包括预值电流和有效电流，预值电流用于控制首个光脉冲的峰值功率和能量，有效电流与激光功率密切相关，用于控制后续光脉冲的峰值功率和能量。
MOPA脉冲激光器常规的控制方法能输出一组频率不变的光脉冲，一般的要求是，保证输出的光脉冲信号稳定一致。
在激光雕刻等应用中，为了提高加工效率，往往要求光脉冲信号的频率、峰值功率和能量等能实时快速变化，即要求输出高频可变光脉冲信号。用常规的控制方法，通过改变功率放大器开关、种子源脉冲和激励电流等信号可改变光脉冲的频率、峰值功率和能量等。但激励电流的响应时间比较长，导致输出稳定的光脉冲信号需要的时间比较长，不能高频输出稳定的光脉冲信号。
发明内容
针对现有技术中存在的激励电流的响应时间比较长，导致输出稳定的光脉冲信号需要的时间比较长，不能高频输出稳定的光脉冲信号的技术问题，本发明的目的在于提供一种MOPA激光器的高频可变光脉冲信号控制方法。
MOPA脉冲激光器输出光脉冲的峰值功率和能量取决于谐振腔中储存的激光能量，激光能量又与激励电流和激励时间密切相关。如果保持激励电流不变，通过激励时间(即脉冲间隔的时间)控制光脉冲的峰值功率和能量可高频输出稳定的光脉冲信号。
当激励电流保持不变时，如果激励时间过长，谐振腔中储存的激光能量会过大，可能损坏激光器。为了保护，常规的控制方法是通过降低激励电流降低谐振腔中的激光能量。另外，每次光脉冲输出时，几乎会释放谐振腔中的全部激光能量。为了在可变的时刻输出峰值功率和能量可变的光脉冲，要求谐振腔中的激光能量可变。
考虑到MOPA脉冲激光器的脉冲频率的调节范围很大，最高达兆赫级。而兆赫级的光脉冲的峰值功率和能量相对很小，对大多数材料而言，因未达到材料加工的阈值，对加工没有实质性的影响。故可用超高频率光脉冲输出的方法释放谐振腔中多余的激光能量，实现谐振腔中激光能量的可调节。
本发明采取的技术方案为：
一种MOPA激光器的高频可变光脉冲信号控制方法，保持激励电流不变，通过种子脉冲信号周期的变化控制每个光脉冲的激励时间，从而控制光脉冲的周期、峰值功率或能量，高频输出可变光脉冲信号。
一种MOPA激光器的高频可变光脉冲信号控制方法，具体包括以下步骤：
(1)设置预值电流，通过功率设置有效电流；
(2)主振荡器开关信号置高电平，激励电流从0延时过渡到预值电流；
(3)功率放大器开关信号置高电平，激励电流从预值电流延时过渡到有效电流；
(4)功率放大器开关信号置高电平的同时，种子源脉冲信号按期望的变化周期输出脉冲信号；
(5)对应种子源脉冲信号的边沿输出光脉冲信号。
进一步的，还设置一种由脉冲单元组成的源脉冲信号，脉冲单元包含N个激励时间为Ti的脉冲，其中i＝1至N，和n个激励时间为t的脉冲，要求N≥0，n≥0，N+n≥1，且Ti相对t大至少10倍；在源脉冲信号的第1个脉冲单元中，N＝0，n*t足够大，达到激励电流从预值电流过渡到有效电流的时间；在后续脉冲单元中，N≥1，n≥0。
更进一步的，所述N、Ti及n都相等，其中i＝1至N，T相等，输出相同有效脉冲相等周期的脉冲单元激光。
更进一步的，所述N、Ti相等，其中i＝1至N，n不全等，T不全等，输出相同有效脉冲不等周期的脉冲单元激光。
更进一步的，所述N、Ti不全等，其中i＝1至N，n不全等，T相等，输出不全同有效脉冲相等周期的脉冲单元激光。
更进一步的，所述N、Ti不全等，其中i＝1至N，n不全等，T不全等，输出不全同有效脉冲不全等周期的脉冲单元激光。
本发明的有益效果为：
(1)可变光脉冲信号特征能通过种子脉冲信号的编组产生多种光脉冲组，适合多种实际需要，从而扩大激光加工的应用领域。
(2)高频特征能大幅提高激光加工的效率，具有显著的经济价值。
附图说明
图1为现有的MOPA脉冲激光器的常规控制方法时序图；
图2为本发明的一种MOPA激光器的高频可变光脉冲信号控制方法时序图；
图3为本发明的相同有效脉冲相等周期的脉冲单元激光时序图；
图4为本发明的相同有效脉冲不全等周期的脉冲单元激光时序图；
图5为本发明的不全同有效脉冲相等周期的脉冲单元激光时序图；
图6为本发明的不全同有效脉冲不全等周期的脉冲单元激光时序图。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明。
现有例1
如图1所示，在有效电流期间，种子源脉冲信号的频率保持不变，每段有效电流输出一组频率不变的光脉冲，可通过改变有效电流和种子源脉冲信号的频率来改变光脉冲的频率、峰值功率和能量。因激励电流的响应时间比较长，不能高频输出稳定的光脉冲信号。
实施例1
一种MOPA激光器的高频可变光脉冲信号控制方法，保持激励电流不变，通过种子脉冲信号周期的变化控制每个光脉冲的激励时间，从而控制光脉冲的周期、峰值功率或能量，高频输出可变光脉冲信号。
图2与图1相比，主要区别是，图2只有一段有效电流，在有效电流期间种子源脉冲信号的频率是可变的，输出的光脉冲的频率、峰值功率和能量也是可变的。
本发明提供一种MOPA激光器的高频可变光脉冲信号控制方法，其包括以下步骤：
(1)设置预值电流，通过功率设置有效电流；
(2)主振荡器开关信号置高电平，激励电流从0延时过渡到预值电流；
(3)功率放大器开关信号置高电平，激励电流从预值电流延时过渡到有效电流；
(4)功率放大器开关信号置高电平的同时，种子源脉冲信号按期望的脉冲单元序列输出脉冲信号；
(5)对应种子源脉冲信号的边沿输出光脉冲信号。
在图2中，设计了一种特殊的由脉冲单元组成的源脉冲信号，脉冲单元包含N个激励时间为Ti(i＝1至N)的脉冲和n个激励时间为t的脉冲，要求N≥0，n≥0，N+n≥1，且Ti相对t大得多(至少10倍)。从加工效果看，前N个脉冲对应输出的光脉冲的峰值功率和能量比较大，是有效的，后n个脉冲对应输出的光脉冲的峰值功率和能量较小，如果未达到材料加工的阈值，是无效的。
在源脉冲信号的第1个脉冲单元中，N＝0，n*t足够大，达到激励电流从预值电流过渡到有效电流的时间，可保证后续脉冲单元光脉冲的峰值功率和能量不受激励电流变化的影响，只与激励时间相关。在后续脉冲单元中，N≥1，n≥0，能保证能输出有效的光脉冲。
脉冲单元的周期T＝T1+…+TN+n*t，其中有效脉冲时间为T1+…+TN，无效脉冲时间或有效脉冲间隔时间为n*t。t一般不变，N、Ti(i＝1至N)及n都可变，根据N、Ti及T的不同，有以下4种情形：
(1)在图3中，N、Ti(i＝1至N)及n都相等，T相等，输出相同有效脉冲相等周期的脉冲单元激光；
(2)在图4中，N、Ti(i＝1至N)相等，n不全等，T不全等，输出相同有效脉冲不等周期的脉冲单元激光；
(3)在图5中，N、Ti(i＝1至N)不全等，n不全等，T相等，输出不全同有效脉冲相等周期的脉冲单元激光；
(4)在图6中，N、Ti(i＝1至N)不全等，n不全等，T不全等，输出不全同有效脉冲不全等周期的脉冲单元激光。
以上所述并非是对本发明的限制，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明实质范围的前提下，还可以做出若干变化、改型、添加或替换，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种MOPA激光器的高频可变光脉冲信号控制方法，其特征在于，保持激励电流不变，通过种子脉冲信号周期的变化控制每个光脉冲的激励时间，从而控制光脉冲的周期、峰值功率或能量，高频输出可变光脉冲信号；
具体包括以下步骤：
(1)设置预值电流，通过功率设置有效电流；
(2)主振荡器开关信号置高电平，激励电流从0延时过渡到预值电流；
(3)功率放大器开关信号置高电平，激励电流从预值电流延时过渡到有效电流；
(4)功率放大器开关信号置高电平的同时，种子源脉冲信号按期望的变化周期输出脉冲信号；
(5)对应种子源脉冲信号的边沿输出光脉冲信号。
2.根据权利要求1所述的一种MOPA激光器的高频可变光脉冲信号控制方法，其特征在于，还设置一种由脉冲单元组成的源脉冲信号，脉冲单元包含N个激励时间为Ti的脉冲，其中i＝1至N，和n个激励时间为t的脉冲，要求N≥0，n≥0，N+n≥1，且Ti相对t大至少10倍；在源脉冲信号的第1个脉冲单元中，N＝0，n*t足够大，达到激励电流从预值电流过渡到有效电流的时间；在后续脉冲单元中，N≥1，n≥0。
3.根据权利要求2所述的一种MOPA激光器的高频可变光脉冲信号控制方法，其特征在于，所述N、Ti及n都相等，其中i＝1至N，T相等，输出相同有效脉冲相等周期的脉冲单元激光。
4.根据权利要求2所述的一种MOPA激光器的高频可变光脉冲信号控制方法，其特征在于，所述N、Ti相等，其中i＝1至N，n不全等，T不全等，输出相同有效脉冲不等周期的脉冲单元激光。
5.根据权利要求2所述的一种MOPA激光器的高频可变光脉冲信号控制方法，其特征在于，所述N、Ti不全等，其中i＝1至N，n不全等，T相等，输出不全同有效脉冲相等周期的脉冲单元激光。
6.根据权利要求2所述的一种MOPA激光器的高频可变光脉冲信号控制方法，其特征在于，所述N、Ti不全等，其中i＝1至N，n不全等，T不全等，输出不全同有效脉冲不全等周期的脉冲单元激光。
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