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(jìn)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(shí)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(shí)驗(yàn)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(shí)現(xiàn)了對激光打標(biāo)機(jī)的實(shí)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(diǎn)，使其在激光打標(biāo)、印刷、微機(jī)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(jìn)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(jī)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(jī)控制器完成部分功能，減輕單片機(jī)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(jìn)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(jī)制組成。為實(shí)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(shí)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(shí)際工業(yè)打標(biāo)中其輸出的能量還是不足的。為進(jìn)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(diǎn)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(jìn)行功率放大；實(shí)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(shí)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(kuò)展性功能。為此，采用以單片F(xiàn)PGA芯片為核心實(shí)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(jī)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(jī)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。