Nd∶YAG脈沖激光器雙光路輸出分時(shí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

張 健，張慶茂，吳銳歡，陳 國，李澤曦，劉頌豪

（華南師范大學(xué)廣東省微納光子功能材料與器件重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東廣州510006）

Nd∶YAG脈沖激光器雙光路輸出分時(shí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

張 健，張慶茂*，吳銳歡，陳 國，李澤曦，劉頌豪

（華南師范大學(xué)廣東省微納光子功能材料與器件重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東廣州510006）

針對(duì)現(xiàn)有激光器多光路加工特點(diǎn)，采用Nd∶YAG脈沖激光器為光源，研制出激光器雙光路輸出分時(shí)控制系統(tǒng)。提出了具體的分時(shí)分光技術(shù)方案，設(shè)計(jì)出能夠?qū)崿F(xiàn)分時(shí)分光的分光裝置，以及對(duì)裝置的工作狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制的分時(shí)控制電路，并確定了系統(tǒng)的程序流程。在不降低輸出功率的前提下，實(shí)現(xiàn)了激光在不同時(shí)間、不同輸出端口的輸出，完成了分時(shí)分光。為避免因分光裝置抖動(dòng)而造成的光纖損壞，利用黑色相紙對(duì)光斑進(jìn)行采樣。結(jié)果表明：在全反鏡改變位置后至激光輸出，延時(shí)300 ms為最佳時(shí)間。該系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)激光的時(shí)分復(fù)用、動(dòng)態(tài)分光，滿足了多光路輸出需求；而且系統(tǒng)的擴(kuò)展能力強(qiáng)，能夠根據(jù)實(shí)際激光加工狀況，為激光加工設(shè)備的改進(jìn)和升級(jí)提供思路。

Nd∶YAG激光器；雙光路；分時(shí)控制；分光裝置

1 引 言

激光加工技術(shù)是將控制、工藝和激光器相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)光、機(jī)、電、材料加工一體化［1］的先進(jìn)制造工藝技術(shù)。與傳統(tǒng)的加工技術(shù)相比，其能夠最大限度地集中能量，易于操作及實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制，且具有加工柔性高、效率高、能耗低、節(jié)能環(huán)保的特點(diǎn)，在航空、航天、汽車、模具、機(jī)械、微電子工業(yè)等制造領(lǐng)域已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，是機(jī)械加工技術(shù)的重要發(fā)展方向，被譽(yù)為“21世紀(jì)的加工手段”［2-3］。

自從激光誕生以來，激光加工技術(shù)已經(jīng)由脈沖波形向連續(xù)波形發(fā)展［4-7］，由小功率薄板加工向大功率厚件加工發(fā)展。目前，激光加工技術(shù)仍發(fā)展迅猛，進(jìn)一步提高激光加工的工作效率已成為各制造領(lǐng)域的共同目標(biāo)。隨著激光設(shè)備向自動(dòng)化、高集成化發(fā)展，傳統(tǒng)的單工作臺(tái)單工件激光加工已經(jīng)不能滿足高效率激光加工的要求，多工件多工位激光加工已成為新的發(fā)展趨勢［8-9］。現(xiàn)有的激光加工設(shè)備基本都是單光路傳輸系統(tǒng)，加工不同形狀、不同尺寸的工件時(shí)，需要多次裝夾及調(diào)試，耗時(shí)、耗力、效率低，因此對(duì)激光的多光路輸出提出了新的要求。現(xiàn)有多光路輸出技術(shù)可分為多光源的多光路技術(shù)［10］和能量分光技術(shù)。前者采用多臺(tái)激光器并聯(lián)或串聯(lián)的形式實(shí)現(xiàn)多光路輸出；后者是通過在激光器輸出端放置不同透射率的反射鏡，實(shí)現(xiàn)對(duì)原有光束的分光處理［11］。但是，多光源的多光路技術(shù)對(duì)散熱、電磁屏蔽技術(shù)有較高要求，受環(huán)境影響大，而裝置本身需要較精密的零件，成本高，離工業(yè)化應(yīng)用還有一定距離；能量分光技術(shù)不可避免地降低各光路的功率，在大功率加工的條件下，不能滿足激光加工要求。同時(shí)，各光路只能同時(shí)輸出，不能實(shí)現(xiàn)個(gè)別光路單獨(dú)輸出，缺乏靈活性。

為克服上述能量分光技術(shù)以及多光源多光路技術(shù)的不足，本文結(jié)合Nd∶YAG脈沖激光器的特點(diǎn)［12-16］，提出一種分時(shí)分光技術(shù)。通過動(dòng)態(tài)地改變系統(tǒng)的原有光路，在保持激光器原有輸出功率的前提下，實(shí)現(xiàn)了激光在不同時(shí)間、不同輸出端口的輸出和分時(shí)分光。文中集成開發(fā)了Nd∶YAG激光器雙光路輸出分時(shí)控制系統(tǒng)及程序。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)及控制原理

圖1 Nd∶YAG激光器雙光路輸出分時(shí)控制系統(tǒng)Fig.1 Nd∶YAG laser double-pass output time-sharing control system

激光器雙光路輸出分時(shí)控制系統(tǒng)由Nd∶YAG脈沖激光器、分光裝置、分時(shí)控制電路、45°全反鏡、光纖組成。分光裝置由30°旋轉(zhuǎn)磁鐵、全反鏡、全反鏡固定架、擋光片及基座構(gòu)成。當(dāng)分光裝置的全反鏡處于降落狀態(tài)時(shí)，由Nd∶YAG激光器輸出的光束，經(jīng)45°全反鏡1反射后，直接入射到45°全反鏡2，再次反射后，耦合進(jìn)入光纖A，實(shí)現(xiàn)A路輸出，并實(shí)現(xiàn)脈沖激光器在其工位下的連續(xù)作業(yè)；當(dāng)分光裝置的全反鏡處于抬升狀態(tài)時(shí)，由Nd∶YAG激光器輸出的光束，經(jīng)45°全反鏡1反射后，入射至分光裝置中的全反鏡，經(jīng)其反射后，耦合進(jìn)入光纖B，實(shí)現(xiàn)B路輸出，實(shí)現(xiàn)脈沖激光器在其工位下的連續(xù)作業(yè)。由此通過分光裝置全反鏡升鏡的升降，可以滿足激光束在不同時(shí)段、不同光路中的傳輸。Nd∶YAG激光器雙光路輸出分時(shí)控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1（a）所示，分光裝置如圖1（b）所示。

3 分時(shí)控制電路的設(shè)計(jì)

3.1 分時(shí)控制電路的設(shè)計(jì)原理

分時(shí)控制電路由微處理器模塊、全反鏡位置檢測模塊、激光輸出控制模塊，磁鐵驅(qū)動(dòng)模塊組成。分時(shí)控制電路以微處理器模塊為核心，連接其它工作模塊。當(dāng)微處理器從工作臺(tái)出光按鍵或工業(yè)計(jì)算機(jī)接收到電平信號(hào)后，全反鏡位置檢測模塊對(duì)全反鏡位置進(jìn)行檢測。當(dāng)全反鏡處于目標(biāo)位置時(shí)，電路不做處理；反之，微處理器模塊通過激光輸出控制模塊控制激光器停止輸出，然后磁鐵驅(qū)動(dòng)模塊控制30°旋轉(zhuǎn)磁鐵旋轉(zhuǎn)，最終改變?nèi)寸R位置，達(dá)到改變激光光路的目的。分時(shí)控制電路原理圖如圖2所示。

圖2 分時(shí)控制電路原理圖Fig.2 Schematic diagram of time-sharing control circuit

3.2 分時(shí)控制電路的模塊設(shè)計(jì)

（1）微處理器模塊

微處理器模塊由按鍵電路、微處理器組成。工作臺(tái)出光按鍵被按下時(shí)，光耦工作狀態(tài)改變，光耦輸出端向微處理器發(fā)送電平信號(hào)。微處理器根據(jù)檢測到的電平信號(hào)，通過程序處理，識(shí)別A或B工作臺(tái)按鍵狀態(tài)。其中微處理器連接按鍵電路，可接收按鍵信號(hào)，同時(shí)微處理器模塊連接工業(yè)計(jì)算機(jī)，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制［17］。微處理器模塊控制端口用于連接全反鏡位置檢測模塊、磁鐵驅(qū)動(dòng)模塊和激光輸出控制模塊。微處理器模塊如圖3所示。

圖3 微處理器模塊Fig.3 Microprocessormodule

圖4 全反鏡位置檢測模塊Fig.4 Holophote position detectionmodule

（2）全反鏡位置檢測模塊

全反鏡位置檢測模塊包括檢測電路和反饋電路。當(dāng)檢測電路上的光開關(guān)被擋光片遮擋，光開關(guān)、光耦合器的工作狀態(tài)改變，最后反饋電路向微處理器模塊發(fā)送全反鏡位置信號(hào)，微處理器模塊根據(jù)從模塊接收到的電平信號(hào)，對(duì)全反鏡的位置進(jìn)行識(shí)別、控制。全反鏡位置檢測模塊如圖4所示。

（3）激光輸出控制模塊

激光輸出控制模塊主要包括輸入端和輸出端。輸入端接收來自微處理器模塊的電平信號(hào)，控制光耦，進(jìn)而控制繼電器的工作狀態(tài)，最終控制激光輸出回路的通斷，控制激光。激光輸出控制模塊如圖5所示。

圖5 激光輸出控制模塊Fig.5 Laser output controlmodule

（4）磁鐵驅(qū)動(dòng)模塊

磁鐵驅(qū)動(dòng)模塊包括輸入電路、輸出電路、泄放電路。輸入電路接收到微處理器模塊發(fā)送的信號(hào)后，通過控制光耦、三極管、場效應(yīng)管的工作狀態(tài)，最終控制30°旋轉(zhuǎn)磁鐵旋轉(zhuǎn)。其中，泄放電路通過消除因30°旋轉(zhuǎn)磁鐵工作狀態(tài)改變而產(chǎn)生的反向電動(dòng)勢，達(dá)到保護(hù)電路的目的。磁鐵驅(qū)動(dòng)模塊如圖6所示。

圖6 磁鐵驅(qū)動(dòng)模塊Fig.6 Magnetworkingmodule

3.3 軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)硬件的正常工作流程，進(jìn)行了與之相適應(yīng)的軟件設(shè)計(jì)。當(dāng)接收到來自工作臺(tái)出光按鍵或工業(yè)計(jì)算機(jī)的電平信號(hào)，微處理器模塊通過全反鏡位置檢測模塊檢測全反鏡位置。當(dāng)全反鏡已經(jīng)處于目標(biāo)位置時(shí)，系統(tǒng)不做處理；否則，激光輸出控制模塊控制激光器停止輸出激光，然后，磁鐵驅(qū)動(dòng)模塊控制30°旋轉(zhuǎn)磁鐵旋轉(zhuǎn)，最終改變?nèi)寸R位置，延遲一段時(shí)間，激光器輸出激光。程序流程圖如圖7所示。

4 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果

實(shí)驗(yàn)裝置采用所設(shè)計(jì)的激光器雙光路輸出分時(shí)控制系統(tǒng)，如圖8所示。實(shí)驗(yàn)定義延遲時(shí)間為分光裝置抬起或降落后，激光輸出延遲的時(shí)間（簡稱延時(shí)），即激光輸出滯后于分光裝置抬起或降落的時(shí)間。由于分光裝置抬起到位后，旋轉(zhuǎn)磁鐵機(jī)械運(yùn)動(dòng)會(huì)導(dǎo)致分光裝置中全反鏡的微抖動(dòng)，從而產(chǎn)生激光束微晃動(dòng)，造成輸出光纖端面的損壞，故采用黑色相紙分別對(duì)從全反鏡改變位置后至激光輸出不同延時(shí)的光斑進(jìn)行采樣［17］。根據(jù)采樣的光斑形貌來判斷分光裝置微抖動(dòng)穩(wěn)定的時(shí)間，并以此確定延時(shí)。實(shí)驗(yàn)在峰值為30 A，脈寬為1 ms的條件下，距離分光裝置15 cm處，采用黑色相紙分別對(duì)從全反鏡改變位置后至激光輸出延時(shí)100、200、300、400 ms時(shí)的光斑進(jìn)行采樣。

圖8 系統(tǒng)實(shí)物圖Fig.8 Photograph of the system

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：延時(shí)為300、400 ms時(shí)，所采樣到的光斑圓整。又考慮到激光工作效率，故選用300ms為最佳輸出延時(shí)。不同延時(shí)光斑采樣圖如圖9所示。輸出光路中若采用硬光路輸出，不用考慮到光纖的損壞問題［18］，延時(shí)可以通過軟件任意設(shè)置，有利于提高光束的切換效率。

圖9 不同延時(shí)光斑采樣圖Fig.9 Picture of light spot samples in different delays

5 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)的Nd∶YAG脈沖激光器雙光路輸出分時(shí)控制系統(tǒng)在控制分光裝置中全反鏡的位置，保持原有激光輸出的功率的前提下，可實(shí)現(xiàn)不同時(shí)間、不同光路的輸出，能夠進(jìn)行多工作臺(tái)、多工件的激光加工。

（1）系統(tǒng)中的全反鏡檢測模塊能避免全反鏡由于各種故障而不能準(zhǔn)確移動(dòng)到目標(biāo)位置，導(dǎo)致光纖損壞或激光在錯(cuò)誤輸出口輸出等問題，從而增強(qiáng)系統(tǒng)的安全性、準(zhǔn)確性；

（2）系統(tǒng)的擴(kuò)展能力強(qiáng)，在本系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，配備多個(gè)分光裝置，即可增加光路輸出路數(shù)，能夠根據(jù)實(shí)際激光加工狀況，為激光器的改進(jìn)和升級(jí)提供便利；

（3）在峰值為30 A，脈寬為1 ms條件下，距離分光裝置15 cm處，利用黑色相紙對(duì)系統(tǒng)輸出的兩路激光進(jìn)行光斑采樣，結(jié)果表明：系統(tǒng)延時(shí)300 ms時(shí)光斑圓整，為最佳輸出延時(shí)，激光工作效率最高。

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作者簡介：

張 ?。?982—），男，山東濟(jì)寧人，博士研究生，主要從事激光技術(shù)及其應(yīng)用方面的研究。E-mail：zhangjian200623@sina.com

張慶茂（1966-），男，河北昌黎人，教授，1995年于吉林工業(yè)大學(xué)獲得碩士學(xué)位，2000年于中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理所獲得博士學(xué)位，主要從事激光先進(jìn)制造技術(shù)方面的研究。E-mail：zhangqm@scnu.edu.cn

吳銳歡（1992-），男，廣東揭陽人，本科生，主要從事光電技術(shù)方面研究。E-mail：wurh_92@126.com

陳 國（1989-），男，廣東肇慶人，本科生，主要從事激光加工技術(shù)方面的研究。E-mail：chenguodk@163.com

李澤曦（1991—），男，廣東江門人，本科生，主要從事光學(xué)、電學(xué)方面的研究。E-mail：fox_lzx@163.com

劉頌豪（1930—），男，廣東廣州人，中國科學(xué)院院士，首批博士生導(dǎo)師，我國著名光學(xué)和激光專家，1951年于廣東文理學(xué)院獲得學(xué)士學(xué)位，曾任中國科學(xué)院安徽光學(xué)精密機(jī)械所所長、中國科學(xué)院合肥分院副院長、華南師范大學(xué)校長、全國政協(xié)委員、廣東省科協(xié)副主席，現(xiàn)為中國光學(xué)學(xué)會(huì)常務(wù)理事，美國光學(xué)學(xué)會(huì)資深會(huì)員，主要從事分子束光譜和激光生物分子光譜等方面的研究。E-mail：liush@scnu.edu.cn

Design of Nd:YAG pulsed laser double-pass output time-sharing control system

ZHANG Jian，ZHANG Qing-mao*，WU Rui-huan，CHEN Guo，LIZe-xi，LIU Song-hao
（Laboratory of Nanophotonic Functional Materials and Devices in Guangdong Province，South China Normal University，Guangzhou 510006，China）
*Corresponding author，E-mail：zhangqm@scnu.edu.cn

On account of the characteristics of laser double-pass processing，a Nd∶YAG pulsed laser is chosen as the light source，and a laser time-sharing control system for double-pass outputs is developed.A concrete implemented project for time-sharing spectral technology is put forward，the beam split device is designed to achieve time-sharing beam split，and the time-sharing control circuit is designed to control the device in real time.Then，system program procedure is determined.Finally，laser outputs from different ports in different time are obtained under keeping the output powers.In order to avoid fiber damaging because of the jittering from beam split device，black photographic paper is used to sample of facula.The result shows that the bestdelay time is 300 ms from changing the holophote position to laser output.This system can not only realize time-sharemultiplexing and dynamic spectral splitting，but also can satisfy the need of double-pass outputs. Furthermore，the system has a stronger expanding ability，and can provide the convenience for laser improvement and upgrade according to the laser processing condition in reality.

Nd∶YAG laser；double-pass；time-sharing control；beam split device

TN248.1

A

10.3788/CO.20130604.0529

1674-2915（2013）04-0529-07

2013-04-17；

2013-06-23

中央財(cái)政支持地方高校專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目（激光先進(jìn)制造創(chuàng)新培養(yǎng)基地）（No.510-C10293）；廣東省教育部產(chǎn)學(xué)研結(jié)合重點(diǎn)資助項(xiàng)目（No.2010A090200048）；廣東省教育廳學(xué)科建設(shè)專項(xiàng)資助項(xiàng)目（No. CXZD1139）