一種用于激光清洗的多支路微秒級激光器驅(qū)動電源及控制技術(shù)的研究*

劉繼男鄭 華孫艷鶴方 媛鐵 軍范純鈺張成兵

(1.國網(wǎng)遼寧省電力有限公司檢修分公司，遼寧沈陽 110000；2.華北電力大學(xué)，北京 102206；3.沈陽經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)熱電有限公司，遼寧沈陽 110000；4.北京中科創(chuàng)世科技發(fā)展有限公司，北京 100084)

激光清洗技術(shù)是近十年來飛速發(fā)展的一種新型清洗技術(shù)，它以自身的優(yōu)勢和不可替代性，在許多領(lǐng)域中逐步取代了傳統(tǒng)清洗工藝[1]。與傳統(tǒng)清洗相比，激光清洗具有非接觸、無損傷、清洗效率高、清潔質(zhì)量好、綠色無污染的優(yōu)點，是一種綠色的清洗方法。在激光清洗的過程中，激光照射到工件表面，并與物質(zhì)發(fā)生物理化學(xué)作用，剝離基材表面污染物，其產(chǎn)物可以通過相應(yīng)的凈化裝置吸收，不對加工環(huán)境造成影響，已清洗的表面反射大部分激光，不損傷基材[2]。

當(dāng)前，可用于激光清洗的商品化激光器驅(qū)動電源，比較知名的國外公司的產(chǎn)品，如美國Wavelength公司的QCL 驅(qū)動電源、ILXlight 的LDX3200 系列驅(qū)動電源等，它們都具有窄脈沖、大電流的驅(qū)動能力(驅(qū)動脈沖窄至1 μs，驅(qū)動電流高至10 A)[3]。但是它們均只能驅(qū)動單只激光器，不具備多支激光器驅(qū)動能力。國內(nèi)激光器驅(qū)動電源的科研單位以吉林大學(xué)、安徽光機(jī)所等為代表[4-5]。它們研制的驅(qū)動電源也不具備多支驅(qū)動能力。

由于被清洗對象的種類繁多，單只激光器難以達(dá)到較好的清洗效果，所以研制一種能夠同時驅(qū)動多支激光器的驅(qū)動電源成為亟需。采用時分復(fù)用控制技術(shù)，研制了一種新型多支路微秒級激光器驅(qū)動電源。既測試其驅(qū)動能力，也驗證了其除銹的效果，證明其在實際應(yīng)用中的可行性。

1 驅(qū)動電原硬件系統(tǒng)設(shè)計

多支路微秒級激光器驅(qū)動電源的硬件系統(tǒng)由以下5 部分組成，分別為激光器時分復(fù)用信號產(chǎn)生模塊、控制模塊、高速脈沖產(chǎn)生模塊、恒流源模塊以及保護(hù)電路模塊組成，如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)組成框圖

圖1 中，采用美國TI 公司浮點型32 位數(shù)字信號處理芯片(TMS320LF28335)作為控制模塊核心。高速脈沖產(chǎn)生模塊能夠產(chǎn)生信號周期、脈沖寬度和脈沖幅值均可調(diào)的驅(qū)動信號。時分復(fù)用信號產(chǎn)生模塊基于“時分復(fù)用”技術(shù)[6]，使各個驅(qū)動支路的驅(qū)動電流在時間上錯開，達(dá)到各支路驅(qū)動電流互不影響的效果。壓控恒流源模塊采用運(yùn)算放大器線性負(fù)反饋原理，通過調(diào)節(jié)運(yùn)算放大器同相端電壓實現(xiàn)對激光器驅(qū)動電流的控制。系統(tǒng)還包含保護(hù)電路模塊，采用在激光器兩端并聯(lián)瞬態(tài)抑制二極管防止因驅(qū)動電流過大導(dǎo)致的擊穿，以及采用靜電屏蔽罩將激光器封閉防止因靜電給激光器帶來不可恢復(fù)的損壞。軟件設(shè)計方面，對MOSFET 傳輸特性數(shù)據(jù)進(jìn)行分段擬合，進(jìn)一步提升輸出電流線性度指標(biāo)。

1.1 控制模塊

控制模塊采用美國德州儀器公司的32 位浮點數(shù)字信號處理器TMS320LF28335，其主要功能如下:(1)產(chǎn)生高速脈寬寬度調(diào)制(PWM)信號。(2)驅(qū)動數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)產(chǎn)生高精度模擬信號。(3)控制激光器時分復(fù)用信號產(chǎn)生模塊。

根據(jù)上述3 項功能，具體實現(xiàn)如下:(1)采用TMS320LF28335 內(nèi)部事件管理器，根據(jù)驅(qū)動電流需求，可實現(xiàn)TTL 電平輸出的PWM 信號。(2)TMS320LF28335 通過SPI 接口與16 位數(shù)模轉(zhuǎn)換器LTC1655 通信，實現(xiàn)數(shù)字信號到模擬信號的轉(zhuǎn)換。(3)TMS320LF28335 通過內(nèi)部GPIO 接口，實現(xiàn)對激光器時分復(fù)用信號產(chǎn)生模塊的控制。

1.2 高速脈沖產(chǎn)生模塊

高速脈沖產(chǎn)生模塊能夠產(chǎn)生信號周期、脈沖寬度和脈沖幅值均可調(diào)的驅(qū)動信號。核心控制器TMS320LF28335 控制16 位DAC 產(chǎn)生幅值可調(diào)的電壓信號輸入給模擬開關(guān)，作為一路信號。模擬開關(guān)另外一路信號接地。核心控制器TMS320LF28335產(chǎn)生周期和占空比可調(diào)的PWM 波高速切換模擬開關(guān)2 路輸入信號。由于模擬開關(guān)輸出電壓有限，采用放大電路對其輸出信號進(jìn)行放大，從而輸出信號周期、脈沖寬度和脈沖幅值均可調(diào)的驅(qū)動信號。

圖2 高速脈沖產(chǎn)生模塊

1.3 時分復(fù)用信號產(chǎn)生模塊

該模塊基于“時分復(fù)用”技術(shù)，使各個驅(qū)動支路的驅(qū)動電流在時間上錯開，達(dá)到各支路驅(qū)動電流互不影響的效果。

由于對多支激光器驅(qū)動各個支路采用高邊MOSFET 時分復(fù)用切換方式[7]，所以需要對其進(jìn)行驅(qū)動。時分復(fù)用信號產(chǎn)生模塊如圖3 所示，采用DC/DC 隔離電源模塊為MOSFET 驅(qū)動芯片IR2117提供隔離電壓?？刂菩盘柾ㄟ^芯片IR2117 實現(xiàn)對MOSFET(高邊)控制，達(dá)到對多支激光器驅(qū)動支路的開啟/關(guān)斷控制。

圖3 單支路時分復(fù)用信號產(chǎn)生模塊

1.4 壓控恒流源模塊

壓控恒流源模塊采用深度線性負(fù)反饋原理，利用輸入電壓來控制驅(qū)動電流，其原理框圖如圖4 所示。

圖4 恒流源模塊原理框圖

由于運(yùn)算放大器U1反向輸入端輸入阻抗無窮大，激光器驅(qū)動支路電流全部經(jīng)過采樣電阻R2流入地。R2產(chǎn)生電壓需與運(yùn)算放大器U1同相端脈沖輸入電壓保持一致(虛短)，微小電壓差經(jīng)過運(yùn)算放大器U1放大后驅(qū)動MOSFET(Q1)，從而通過調(diào)節(jié)脈沖輸入電壓的幅值實現(xiàn)對驅(qū)動電流的控制。快速恢復(fù)二極管D1和電阻R1，組成Q1結(jié)電容快速充電與放電回路，加快驅(qū)動信號的上升/下降沿。

1.5 保護(hù)電路模塊設(shè)計

保護(hù)電路模塊主要防止激光器因驅(qū)動電流過大或者瞬間靜電導(dǎo)致的不可恢復(fù)的損壞[8]。針對驅(qū)動電流過大，采用在激光器兩端并聯(lián)瞬態(tài)抑制二極管，當(dāng)驅(qū)動電流過大時，瞬態(tài)抑制二極管導(dǎo)通，對激光器進(jìn)行保護(hù)。對于瞬態(tài)靜電方面，采用靜電屏蔽罩將激光器封閉，避免靜電損壞激光器。

2 驅(qū)動電源軟件系統(tǒng)設(shè)計

由于驅(qū)動電源輸出電流線性度是衡量其性能的重要指標(biāo)。如前文所述，壓控恒流源采用線性負(fù)反饋原理，有效地降低了MOSFET 的非線性度[9-10]。但是由于MOSFET 傳輸特性呈非線性，使得驅(qū)動電源仍存在非線性誤差。所以在軟件設(shè)計方面，對MOSFET 傳輸特性數(shù)據(jù)進(jìn)行分段擬合，利用分段擬合函數(shù)對驅(qū)動電源輸出特性進(jìn)行補(bǔ)償，整體上構(gòu)成二階非線性矯正，從而進(jìn)一步提升輸出電流線性度指標(biāo)。

首先將MOSFET 連續(xù)特性曲線分離成離散的數(shù)據(jù)，再將MOSFET 特性曲線分段化，利用4 種函數(shù)模型將離散數(shù)據(jù)進(jìn)行高精度擬合。4 種函數(shù)模型分別為Lorentz 函數(shù)，Logistic 函數(shù)，二階多項式函數(shù)和E 指數(shù)函數(shù)，如表1 所示。

表1 分段擬合函數(shù)及擬合度

式中:ID為漏極電流；VGS為柵源電壓。

對MOSFET 傳輸特性數(shù)據(jù)進(jìn)行分段擬合結(jié)果如圖5 所示。

圖5 MOSFET 特性曲線擬合

電壓VGS 從低壓到高壓來看。在低電壓段，采用洛倫茲擬合。在中間電壓段分別采用邏輯回歸擬合和二階多項式擬合。在高電壓段采用E 指數(shù)擬合。各分段擬合具有極高的擬合度，最大擬合度達(dá)到99%，平均擬合度達(dá)到98.25%。

3 驅(qū)動電源性能測試

根據(jù)上述驅(qū)動電源在硬件和軟件方面設(shè)計，研制的驅(qū)動電源達(dá)到以下技術(shù)指標(biāo):驅(qū)動電流幅值0～3 A，驅(qū)動電流周期0～200 μs，占空比0～100%，線性度99.97%，長期穩(wěn)定度優(yōu)于4×10-5。

實驗中，對研制驅(qū)動電源的驅(qū)動電流波形、驅(qū)動電流線性度、驅(qū)動電流穩(wěn)定度以及陣列中紅外量子級聯(lián)激光器(QCL)發(fā)光光譜進(jìn)行了測試。

3.1 驅(qū)動電流波形

預(yù)設(shè)驅(qū)動電流為2 A，各支路驅(qū)動電流周期為200 μs，占空比為1%。4 只QCL 激光器驅(qū)動波形如圖6 所示。

圖6 驅(qū)動電流波形圖

圖6 中，圓圈部分為QCL 驅(qū)動電流的放大圖，脈沖寬度為2 μs。結(jié)果顯示，4 條支路驅(qū)動電流未發(fā)生串?dāng)_現(xiàn)象，驅(qū)動性能良好。

3.2 驅(qū)動電流線性度

由于研制的驅(qū)動電源核心部分為壓控恒流源模塊，其驅(qū)動電流與輸入電壓成線性關(guān)系。為了對驅(qū)動電源線性度進(jìn)行分析，實驗采用調(diào)節(jié)壓控恒流源輸入電壓，測量QCL 驅(qū)動電流值。通過實驗測量離散數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合，得到二者關(guān)系曲線如圖7 所示。

圖7 驅(qū)動電源系統(tǒng)線性度實驗曲線

實驗中，輸入電壓幅值范圍從0 V 至9 V，驅(qū)動電流幅值范圍為0 A 至3 A，對離散數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合，二者成線性關(guān)系，線性度達(dá)到99.97%。同時，預(yù)設(shè)電流目標(biāo)值與驅(qū)動電流實際輸出值的最大偏差為0.873 mA，相對偏差僅為0.04%。

3.3 驅(qū)動電流穩(wěn)定度

為了驗證研制的驅(qū)動電源對不同阻抗負(fù)載的驅(qū)動能力，采用與中紅外QCL 激光器特性一致的假負(fù)載(阻值范圍為1 Ω～10 Ω)作為被驅(qū)動對象。設(shè)置目標(biāo)驅(qū)動電流為2 A，對驅(qū)動電源驅(qū)動特性進(jìn)行了測試，結(jié)果如圖8 所示。

圖8 假負(fù)載測試結(jié)果

實驗結(jié)果顯示，對于驅(qū)動不同阻值的假負(fù)載(1 Ω～10 Ω)，驅(qū)動電流波動范圍小，驅(qū)動電流均值(期望)為2.000 435 A，與均值偏差最大的驅(qū)動電流值為2.000 439 A，驅(qū)動電流穩(wěn)定度可達(dá)到4×10-5。

3.4 陣列QCL 發(fā)光光譜測試

為了驗證研制的多支路QCL 驅(qū)動電源在實際應(yīng)用中的可行性，采用4 支中紅外QCL 激光器作為被驅(qū)動對象(4.8 μm、7.49 μm、7.71 μm、10.7 μm)，進(jìn)行了驅(qū)動測試。采用傅里葉變換紅外光譜儀(Thermo Scientific Nicolet iS10)對其激射光譜進(jìn)行測量，結(jié)果圖9 所示。

圖9 四路QCL 發(fā)光光譜圖

實驗表明，4 支中紅外QCL 激光器在一定工作溫度下，各自能夠激射出各自所在中心波長的光譜。并且4 個支路之間沒有交叉影響，各紅外QCL 激光器均能正常工作，證明研制的驅(qū)動電源實際應(yīng)用可行性。

3.5 除銹清洗試驗

圖10 所示為激光清洗系統(tǒng)示意圖，包括激光器驅(qū)動電源、中心波長為10.7 μm 的QCL 激光器、紅外激光專用的光束調(diào)整傳輸單元(包括擴(kuò)束系統(tǒng)、振鏡掃描系統(tǒng)和掃描聚焦系統(tǒng))、監(jiān)測保護(hù)裝置以及位移平臺單元。

激光清洗過程如圖11 所示。利用研制的激光器電源驅(qū)動10.7 μm 的QCL 激光器對鍍鋅鋼材料的腐蝕層進(jìn)行照射。待照射一段時間后，腐蝕層會發(fā)生氣化分解，最終將腐蝕層從基底鍍鋅鋼材料剝離，達(dá)到清洗效果。

圖10 激光清洗系統(tǒng)

圖11 激光清洗過程

鍍鋅鋼材料清洗效果如圖12 所示。

圖12 鍍鋅鋼材料清洗效果

當(dāng)激光功率較小時，樣件清洗前后沒有明顯變化，因為激光功率較小，單位脈沖能量密度較低，使得激光束掃在樣件材料表面的溫度太低，不能對腐蝕物造成影響。當(dāng)激光功率繼續(xù)增大到6 W 時，樣件表面開始出現(xiàn)融化痕跡，污染物開始有效去除，在基體表面留下微細(xì)的激光劃痕。

4 結(jié)束語

針對激光清洗技術(shù)，提出激光器驅(qū)動電源應(yīng)具備驅(qū)動多支激光器能力的需求。采用時分復(fù)用控制技術(shù)，研制了一種新型多支路微秒級激光器驅(qū)動電源。通過性能測試實驗表明，驅(qū)動電流線性度優(yōu)于99.97%，長期穩(wěn)定度優(yōu)于4×10-5，具備驅(qū)動4 種不同波長的中紅外量子級聯(lián)激光器的能力。最后，利用其對腐蝕的鍍鋅鋼材料進(jìn)行清洗測試，基本達(dá)到除銹的效果，驗證其在實際應(yīng)用的可行性。