基于FPGA的脈沖光纖激光器功率控制系統(tǒng)設(shè)計
摘要 對應(yīng)用于激光打標(biāo)中脈沖光纖激光器的控制系統(tǒng)進行了研究,根據(jù)其組成原理與工作原理,設(shè)計了以FPGA芯片為核心的控制系統(tǒng)。實現(xiàn)了在打標(biāo)過程中對脈沖光纖激光器出光的時序控制、輸出功率控制及聲光調(diào)制器(AOM)驅(qū)動控制等功能。實驗結(jié)果表明,該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)精簡、集成度高、處理速度快,實現(xiàn)了對激光打標(biāo)機的實時準(zhǔn)確的控制。
關(guān)鍵詞 FPGA;脈沖光纖激光器;功率控制;AOM
脈沖光纖激光器因具有優(yōu)異的光束質(zhì)量、較高的功率和功率密度、易冷卻、高穩(wěn)定性和可靠性等多方面優(yōu)點,使其在激光打標(biāo)、印刷、微機械加工、選擇性切割、焊接、醫(yī)療、光信息處理等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。激光打標(biāo)是利用激光在需要進行標(biāo)記的工件表面刻蝕出具有一定深度或顏色的文字或圖案等,從而在工件的表面留下永久性標(biāo)記。作為一種現(xiàn)代精密加工方法,與腐蝕、電火花加工、機械雕刻、印刷等傳統(tǒng)的加工方法相比,激光打標(biāo)具有較大的優(yōu)勢,現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于集成電路芯片、金屬名片、電子及通訊產(chǎn)品、食品包裝等眾多領(lǐng)域的圖形和文字標(biāo)記。
該設(shè)計以單片的FPGA芯片為核心,利用其出色的邏輯事物處理能力,替代單片機控制器完成部分功能,減輕單片機的負(fù)擔(dān);利用其快速的并行處理功能,可以同時處理多個控制指令,提高整個控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度。同時將一些外圍數(shù)字電路集成在一起,可以使一些分離的元器件整合,以提高系統(tǒng)的可靠性。
1 脈沖光纖激光器的結(jié)構(gòu)與工作原理
光纖激光器根據(jù)是否在其諧振腔中加入調(diào)Q開關(guān)以及鎖模器件,將其分為脈沖光纖激光器和連續(xù)光纖激光器。由于在脈沖光纖激光器的諧振腔內(nèi)加入了開關(guān)調(diào)制器件,所以其輸出的激光以高能量脈沖的方式輸出,而連續(xù)光纖激光器則以連續(xù)的方式輸出。
圖1為聲光調(diào)Q脈沖光纖激光器結(jié)構(gòu)圖。該結(jié)構(gòu)與其他激光器的結(jié)構(gòu)基本相同,由能產(chǎn)生光子的增益介質(zhì),使光子得到反饋,并在增益介質(zhì)中進行諧振放大的諧振腔和激勵光躍遷的泵浦源即半導(dǎo)體激光器(LD)。其中諧振腔是由高反光柵(HR)和低反光柵(LR)構(gòu)成的正反饋機制組成。為實現(xiàn)脈沖式的激光輸出,在諧振腔內(nèi)加入了聲光調(diào)制器(AOM)器件作為調(diào)Q開關(guān),通過周期性改變諧振腔損耗,實現(xiàn)調(diào)Q激光脈沖輸出。聲光調(diào)制器由對激光波長透明的聲光介質(zhì)及換能器組成。常用的聲光介質(zhì)有熔融的石英、重火石玻璃等。換能器是將高頻電信號轉(zhuǎn)換為超聲波。聲光調(diào)Q器件置于激光器諧振腔中,當(dāng)超聲波在聲光介質(zhì)中傳播時,介質(zhì)會產(chǎn)生與超聲波信號相應(yīng)的、隨時間和空間周期變化的彈性形變,從而導(dǎo)致介質(zhì)折射率周期性變化,形成“相位光柵”。激光在超聲場作用下發(fā)生衍射,由于一級衍射光偏離諧振腔而導(dǎo)致?lián)p耗增加,使激光振蕩難以形成,高能級大量積累反轉(zhuǎn)粒子。某一時刻突然撤去超聲場,衍射效應(yīng)消失,諧振腔損耗下降,激光脈沖形成。盡管利用調(diào)Q技術(shù)能夠獲得相對高的能量脈沖輸出,但在實際工業(yè)打標(biāo)中其輸出的能量還是不足的。為進一步提高脈沖光纖激光器輸出的功率,在其輸出端增加了光纖功率放大級,即采用主振蕩功率放大結(jié)構(gòu)即MOPA結(jié)構(gòu),如圖1所示。其突出特點是:主振蕩級主要是產(chǎn)生光束質(zhì)量較好的種子光,并通過光纖耦合器傳輸?shù)焦β史糯蠹?;功率放大級主要對主振蕩級輸出的種子光利用雙包層光纖放大技術(shù)對其進行功率放大;實現(xiàn)了在保證輸出優(yōu)異光束質(zhì)量的同時又產(chǎn)生了高能量、高功率的脈沖輸出。
2 控制系統(tǒng)總體設(shè)計
控制系統(tǒng)設(shè)計思路:為實現(xiàn)脈沖光纖激光器能夠?qū)崟r、高效地控制,并使該系統(tǒng)具有一定的通用性和擴展性功能。為此,采用以單片F(xiàn)PGA芯片為核心實現(xiàn)整個系統(tǒng)硬件設(shè)計,系統(tǒng)的原理框圖如圖2所示。
控制原理或過程:首先通過上位機打標(biāo)軟件,設(shè)置脈沖光纖激光器的基本參數(shù),例如輸出平均功率、聲光調(diào)制器(AOM)的重復(fù)頻率及打標(biāo)方式等。經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后,通過并口傳輸給該控制系統(tǒng)。當(dāng)FPGA檢測到上位機發(fā)出的控制指令時,首先初始化其內(nèi)部的功能模塊,然后由各功能模塊產(chǎn)生控制信號來有序地控制脈沖光纖激光器正常工作。
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