激光能量補(bǔ)償系統(tǒng)設(shè)計(jì)

董 濤，張曉杰，潘曉東，馬俊嶺

(中航工業(yè)洛陽(yáng)電光設(shè)備研究所，河南 洛陽(yáng) 471009)

0 引言

目前，幾乎所有的小功率固體激光器都是以激光二極管為泵浦源，而平均功率超過(guò)10 W的系統(tǒng)大多仍以閃光燈或弧光燈為泵浦源［1］。燈泵激光器具有成本低、發(fā)光帶寬范圍大、耐高溫等優(yōu)點(diǎn)，在某些應(yīng)用場(chǎng)合仍然是不可取代的。

激光器開(kāi)始發(fā)射激光時(shí)，激光棒、冷卻系統(tǒng)等需要達(dá)到熱平衡，才能輸出穩(wěn)定的能量，所以，一般激光器發(fā)射激光的前幾秒，能量是漸漸趨于穩(wěn)定值的。在實(shí)際的應(yīng)用中，激光器往往需要反應(yīng)迅速，第一個(gè)脈沖就要保證能量在要求的范圍之內(nèi)。另外，激光器的長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行使激光腔的溫度慢慢升高［2］，而且在環(huán)境溫度不同時(shí)，激光器能量穩(wěn)定值也不同。所以需要采取措施，對(duì)輸出能量進(jìn)行補(bǔ)償，以保證在發(fā)射激光的整個(gè)工作周期以及全溫度范圍以內(nèi)能量的穩(wěn)定。

相關(guān)文獻(xiàn)介紹的能量補(bǔ)償技術(shù)，多數(shù)是對(duì)半導(dǎo)體激光器的能量補(bǔ)償，主要是通過(guò)PIN檢測(cè)激光器發(fā)出的光功率，再通過(guò)電路補(bǔ)償激光器的注入電流，從而保證激光器輸出功率的穩(wěn)定［3］。但在高低溫環(huán)境下，PIN管精度會(huì)變化，造成測(cè)量誤差。本文提出了一種新的方法，即利用溫度的不同，改變燈泵激光器的注入電壓，以保證輸出能量的穩(wěn)定。

1 系統(tǒng)組成及工作原理

激光能量補(bǔ)償系統(tǒng)包括鉑熱電阻、數(shù)據(jù)采集處理電路、單片機(jī)、隔離濾波電路和預(yù)燃成功信號(hào)電路，如圖1所示。

鉑熱電阻將激光器環(huán)境溫度轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，經(jīng)數(shù)據(jù)采集處理電路進(jìn)行采集、放大等處理后，進(jìn)入單片機(jī)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換及數(shù)據(jù)處理。本系統(tǒng)要求激光能量變化小于±18%，在10℃變化范圍，激光器輸出能量變化不大，滿足設(shè)計(jì)精度要求，所以每隔10℃補(bǔ)償不同的電壓。另外，同一溫度下，在該激光器60 s的工作周期內(nèi)，激光器放電的3～5 s能量變化較大，所以采取細(xì)分區(qū)間的方式，在前5 s分別在每0.1 s補(bǔ)償一個(gè)電壓值，5 s之后補(bǔ)償一個(gè)固定的電壓值，從而調(diào)整激光器輸出能量。

圖1 能量補(bǔ)償系統(tǒng)原理框圖Fig.1 Block diagram of laser energy compensation system

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 溫度采集處理電路

鉑熱電阻具有體積小、測(cè)量準(zhǔn)確度高、測(cè)量范圍大、復(fù)現(xiàn)性和穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，被廣泛用于中溫(－200～650℃)范圍的溫度測(cè)量中。本設(shè)計(jì)中采用PT100鉑熱電阻采集激光器環(huán)境溫度。

單片機(jī)采用Microchip公司的PIC16F877，該芯片抗干擾能力強(qiáng)，適合用于工業(yè)控制和有強(qiáng)電干擾的場(chǎng)合，如果采用DSP或51等單片機(jī)，則抗干擾能力差，可能誤讀數(shù)據(jù)，造成死機(jī)等情況［4－5］。采集電路采用單片機(jī)片上的8 bA/D，考慮需要采集溫度范圍是－40～+60℃，而單片機(jī)采集的電壓范圍是0～5 V，根據(jù)這個(gè)精度要求設(shè)計(jì)采集電路，則溫度采集精度高于±0.5℃。

2.2 隔離濾波電路

由于激光電源附近有高電壓干擾，不宜使用DA轉(zhuǎn)換器，所以單片機(jī)輸出的PWM信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬電壓時(shí)，采取了以下方法，如圖2所示。

圖2 隔離濾波電路Fig.2 Insulation and filter circuit

PWM信號(hào)經(jīng)過(guò)光耦隔離，然后經(jīng)過(guò)一階RC濾波，將占空比不同的方波轉(zhuǎn)換為高低不同的電壓，這里參考電壓為5 V。電壓范圍經(jīng)過(guò)程序換算，輸出為3.5～5 V，代表700～1000 V電壓，作為輸出送激光電源處理。

2.3 抗預(yù)燃干擾電路設(shè)計(jì)

以低電流使燈保持在電離的預(yù)燃工作方式能明顯延長(zhǎng)燈的壽命?，F(xiàn)在為了延長(zhǎng)燈的壽命，絕大多數(shù)燈以預(yù)燃方式工作［1］。燈泵激光器在燈預(yù)燃過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)大的電磁干擾，預(yù)燃成功后干擾急劇降低。這個(gè)過(guò)程會(huì)使能量補(bǔ)償系統(tǒng)中的數(shù)字電路發(fā)生故障，甚至死機(jī)。

燈預(yù)燃成功后再開(kāi)啟本補(bǔ)償電路，就可以避開(kāi)干擾。燈預(yù)燃成功后，激光電源會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電平信號(hào)即預(yù)燃成功信號(hào)，利用該信號(hào)作為補(bǔ)償電路供電的開(kāi)關(guān)信號(hào)，當(dāng)激光器預(yù)燃成功，準(zhǔn)備放電時(shí)，才對(duì)補(bǔ)償電路進(jìn)行供電。硬件上使用MOSFET作為開(kāi)關(guān)管，當(dāng)預(yù)燃成功信號(hào)到來(lái)，開(kāi)關(guān)管開(kāi)啟，電路上電開(kāi)始工作。

3 控制策略及算法設(shè)計(jì)

3.1 控制策略

本系統(tǒng)是個(gè)開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)，需要預(yù)先設(shè)定好各溫度下每個(gè)激光脈沖為維持能量在穩(wěn)定范圍所需的電源注入。

環(huán)境溫度數(shù)據(jù)進(jìn)入單片機(jī)后，先判斷屬于哪個(gè)溫度范圍。根據(jù)本系統(tǒng)精度要求，－40～+60℃之間，每10℃劃分一個(gè)溫度區(qū)間，共10個(gè)區(qū)間。然后通過(guò)查表方式，得到各時(shí)刻激光電源需要輸出的電壓值，單片機(jī)輸出為3.5～5 V，代表激光電源輸出700～1000 V電壓，然后送激光電源處理。

3.1.1 數(shù)值計(jì)算

激光電源輸出能量和輸出電壓的關(guān)系為

其中:Q為激光電源輸出能量;C為激光電源儲(chǔ)能電容;U為激光電源輸出的電壓。另外，燈泵激光器電光轉(zhuǎn)換效率一般1%以下，所以激光器輸出能量為

由式(2)可以計(jì)算出激光器輸出一定能量對(duì)應(yīng)電源應(yīng)輸出的電壓。本系統(tǒng)中，在常溫下，激光器的電源儲(chǔ)能電容為30 μF，則激光器輸出80 mJ時(shí)，激光電源輸出電壓為730 V。在其他溫度下，分別測(cè)出激光器輸出80 mJ時(shí)，對(duì)應(yīng)的電源電壓。由于激光器多種因素共同影響，計(jì)算出來(lái)的數(shù)據(jù)要經(jīng)過(guò)試驗(yàn)修正，才能更準(zhǔn)確地保證輸出能量穩(wěn)定。

3.1.2 時(shí)間的分段

在同一溫度下，激光器前3～5 s能量變化幅度較大，所以在保證要求精度的前提下，前5 s中每0.1 s補(bǔ)償一個(gè)不同電壓值，5 s之后補(bǔ)償一個(gè)固定電壓值。本系統(tǒng)采用的激光器工作頻率為20 Hz，0.1 s即兩個(gè)激光脈沖時(shí)間。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)，采用同一個(gè)電壓值能夠滿足精度要求。

3.1.3 單片機(jī)PWM占空比與電源電壓關(guān)系

本系統(tǒng)中，單片機(jī)查表后，輸出的PWM信號(hào)經(jīng)過(guò)一階濾波輸出UI為3.5～5 V電壓(參考電壓VCC為5 V)送激光電源，激光電源內(nèi)部經(jīng)過(guò)放大，控制電源輸出電壓值UO為700～1000 V，因此可以計(jì)算出PWM波的占空比為

根據(jù)占空比數(shù)值，就可以設(shè)定單片機(jī)查表數(shù)值。在不同溫度和時(shí)間測(cè)出為保持能量穩(wěn)定需要電源輸出的電壓，然后把計(jì)算的占空比放入表中。

3.1.4 工作時(shí)間控制

本系統(tǒng)要求激光器工作60 s后停止，再工作誤時(shí)工作需要重新開(kāi)啟。為防止工作60 s后本補(bǔ)償電路仍有輸出送至激光電源，造成延誤的情況，采用了以下方法進(jìn)行控制:單片機(jī)外觸發(fā)引腳設(shè)置為上升沿觸發(fā)，一旦預(yù)燃成功信號(hào)使電路上電，則程序開(kāi)始執(zhí)行。設(shè)置程序運(yùn)行60 s后停止，運(yùn)行過(guò)程中不響應(yīng)任何觸發(fā)。60 s之后，一旦電路上電，則單片機(jī)又被觸發(fā)，并執(zhí)行補(bǔ)償程序。

采用這種方式，可以保證:1)需要激光器停止時(shí)，激光電源沒(méi)有輸出;2)在程序運(yùn)行60 s的過(guò)程中，單片機(jī)不響應(yīng)任何觸發(fā)，也避免了其他的干擾影響。

3.2 算法設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)算法流程如圖3所示。

圖3 軟件流程圖Fig.3 Software flow chart

實(shí)現(xiàn)步驟為

1)單片機(jī)初始化，采集環(huán)境溫度，進(jìn)入單片機(jī)A/D轉(zhuǎn)換，確定一個(gè)溫度范圍;

2)判斷定時(shí)器的寄存器TMR0數(shù)值是否＞50，因?yàn)樵O(shè)置0.1 s該值增加一次，共5 s時(shí)間;

3)如果該值＞50，則說(shuō)明是定時(shí)器運(yùn)行5 s之后，則進(jìn)子程序A，即輸出該溫度范圍固定占空比PWM信號(hào);

4)如果該值＜50，則進(jìn)入子程序B，即按照對(duì)應(yīng)的時(shí)間，每0.1 s輸出對(duì)應(yīng)的不同占空比的PWM信號(hào)。

單片機(jī)根據(jù)不同溫度和時(shí)間下輸出占空比不同的PWM信號(hào)，然后經(jīng)隔離和一階濾波，輸出3.5～5 V的電壓，送到激光電源，電源按照該電壓乘比例系數(shù)(200)，讓儲(chǔ)能電容充放電，從而實(shí)現(xiàn)電源注入激光器電壓的變化，繼而實(shí)現(xiàn)激光器輸出能量的變化，以保持各種溫度下能量的穩(wěn)定。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)中，采用常用的Nd:YAG激光器，氙燈為泵浦源。激光器和電源放進(jìn)高低溫箱，能量計(jì)放在高低溫箱玻璃窗口外面，在－40～+60℃的環(huán)境下測(cè)量激光器的輸出能量。測(cè)出的能量數(shù)據(jù)乘玻璃衰減倍率，并換算出實(shí)際的輸出能量。

分別取－40℃、0℃和+60℃下激光器未進(jìn)行能量補(bǔ)償?shù)臄?shù)據(jù)和采用本系統(tǒng)補(bǔ)償過(guò)的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，試驗(yàn)中，要求能量穩(wěn)定值為80 mJ，激光脈沖頻率是20 Hz，采樣了200個(gè)脈沖，即10 s的時(shí)間，激光器未進(jìn)行能量補(bǔ)償和補(bǔ)償后的能量曲線如圖4、圖5和圖6所示。

圖4 －40℃未進(jìn)行能量補(bǔ)償和補(bǔ)償后激光器輸出能量曲線Fig.4 Curves of uncompensated and compensated laser energy at－40℃

從圖4～圖6可以看出本設(shè)計(jì)有效補(bǔ)償了激光能量的變化，根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，該方法使激光器能量變化從最高的±46%降為±9%。如果對(duì)激光能量穩(wěn)定性要求較高，還可以將溫度區(qū)間細(xì)分，使穩(wěn)定度提高。

圖5 0℃未進(jìn)行能量補(bǔ)償和補(bǔ)償后激光器輸出能量曲線Fig.5 Curves of uncompensated and compensated laser energy at 0℃

圖6 60℃未進(jìn)行能量補(bǔ)償和補(bǔ)償后激光器輸出能量曲線Fig.6 Curves of uncompensated and compensated laser energy at 60℃

5 結(jié)論

本方法充分考慮燈泵激光器在不同溫度及放電前幾秒能量變化的特點(diǎn)，根據(jù)溫度和時(shí)間不同，使激光電源輸出不同的電壓從而進(jìn)行激光能量的補(bǔ)償。且通過(guò)預(yù)燃成功信號(hào)當(dāng)作補(bǔ)償電路供電的開(kāi)關(guān)，能夠完全屏蔽激光電源預(yù)燃信號(hào)的強(qiáng)大干擾，大大提高各種溫度下激光能量的穩(wěn)定性。該電路體積小，性能可靠，適用于在較寬溫度范圍對(duì)激光能量穩(wěn)定性要求較高的場(chǎng)合。

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