515-nm 大功率激光器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

董全睿，張振東，王偉國，陳 濤，陳 飛

（中國科學(xué)院 長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所, 吉林 長春 130033）

1 引 言

光纖激光器由于具有轉(zhuǎn)化效率高、光束質(zhì)量好以及輸出功率穩(wěn)定等特點(diǎn)，在醫(yī)學(xué)監(jiān)測、激光加工以及國防軍事等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[1-2]。泵浦源的穩(wěn)定性是高功率激光器控制系統(tǒng)的關(guān)鍵。目前，市場上多數(shù)泵浦源都采用大功率半導(dǎo)體二極管（Laser Diode, LD）作為發(fā)光部件，并使用穩(wěn)定的恒流源為其供電[3-4]。市場上高端激光器泵浦源及其配套產(chǎn)品主要被國外廠家壟斷，價(jià)格昂貴且訂貨周期長。因此，設(shè)計(jì)一個(gè)穩(wěn)定可靠的激光泵浦源控制系統(tǒng)是大功率激光器的核心功能。此外，由于激光器倍頻晶體與基頻光的相位匹配對溫度變化十分敏感，為了提高激光的轉(zhuǎn)換效率，倍頻晶體的精確溫度控制也將影響激光器的光束質(zhì)量[5]。

為了解決上述問題，本文基于全國產(chǎn)化器件完成大功率激光器的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。該控制系統(tǒng)集成了泵浦驅(qū)動(dòng)模塊、倍頻晶體溫度控制模塊以及人機(jī)交互模塊等功能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)滿足515-nm 大功率激光器的系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求。

2 基本原理與系統(tǒng)組成

2.1 基本原理

光纖激光器由增益光纖、諧振腔和泵浦源3部分組成[6]，如圖1 所示。產(chǎn)生激光信號需要同時(shí)滿足激光閾值、具備粒子束反轉(zhuǎn)和激光增益三方面條件，泵浦源的作用是利用外部能量使增益介質(zhì)中粒子能級躍遷，當(dāng)諧振腔內(nèi)的增益高于損耗時(shí)將產(chǎn)生激光震蕩，此時(shí)才會有激光信號輸出[7]。一般選擇摻雜稀土元素的半導(dǎo)體激光器作為泵浦源，其熒光壽命較長，能夠?qū)崿F(xiàn)很高的轉(zhuǎn)換效率。激光器泵浦源激勵(lì)方式可分為恒定電流與脈沖兩種方式[8]。由于泵浦產(chǎn)品多使用半導(dǎo)體二極管，本文設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)采用恒流激勵(lì)的方法驅(qū)動(dòng)激光器泵浦源。因此，泵浦驅(qū)動(dòng)模塊本質(zhì)上就是實(shí)現(xiàn)恒流源的數(shù)字控制，同時(shí)帶有過壓保護(hù)、短路保護(hù)等防護(hù)功能。

圖1 光纖激光器的示意圖Fig. 1 Schematic diagram of the fiber laser

激光器基頻光向倍頻光單向不斷轉(zhuǎn)換的過程需要使用倍頻晶體實(shí)現(xiàn)，相位匹配則是提高轉(zhuǎn)換效率的關(guān)鍵，相位匹配包括角度相位匹配和溫度相位匹配[9]。倍頻晶體溫控模塊是通過控制半導(dǎo)體制冷片電流的流向?qū)崿F(xiàn)對晶體的加熱與制冷需求。激光器在出光和停光的瞬間，晶體上熱量會發(fā)生明顯改變。因此，保證激光器的輸出功率、光束質(zhì)量及晶體溫度的穩(wěn)定是激光器控制系統(tǒng)的必要環(huán)節(jié)。

2.2 系統(tǒng)組成

該激光器控制系統(tǒng)原理框圖如圖2 所示，主要包括泵浦驅(qū)動(dòng)模塊、倍頻晶體溫控模塊以及人機(jī)交互模塊等。泵浦驅(qū)動(dòng)模塊負(fù)責(zé)給泵浦源供電，并增加了驅(qū)動(dòng)模塊的防護(hù)功能。倍頻晶體溫控模塊由倍頻晶體、半導(dǎo)體制冷片以及熱敏電阻組成，通過控制半導(dǎo)體制冷片上電流的大小與方向達(dá)到加熱或制冷的作用。人機(jī)交互模塊選用國產(chǎn)DSP+FPGA 的嵌入式系統(tǒng)，能夠完成對激光器的指令執(zhí)行、狀態(tài)監(jiān)督以及數(shù)據(jù)存儲等功能。

圖2 大功率激光器控制系統(tǒng)原理框圖Fig. 2 Functional block diagram of the high power laser control system

3 系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)

3.1 泵浦驅(qū)動(dòng)模塊

為了滿足激光器的功耗要求以及功率穩(wěn)定性需求，設(shè)定該激光器的泵浦驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)指標(biāo)，如下：（1）電流為0～20 A 連續(xù)可調(diào)；（2）電壓小于48 V；（3）電流紋波峰峰值小于0.1%。為了減小泵浦驅(qū)動(dòng)模塊工作過程中的電路損耗，采用脈寬調(diào)制技術(shù)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。泵浦驅(qū)動(dòng)模塊的基本構(gòu)成如圖3 所示，泵浦驅(qū)動(dòng)模塊主要包含恒流驅(qū)動(dòng)單元、采樣單元和控制單元。恒流驅(qū)動(dòng)單元的主要器件為MOSFET，采樣單元的核心器件為霍爾芯片和A/D 轉(zhuǎn)換芯片，控制單元?jiǎng)t使用DSP+FPGA 的硬件結(jié)構(gòu)。泵浦驅(qū)動(dòng)模塊工作時(shí)采用基于負(fù)反饋控制結(jié)構(gòu)，即：采樣單元得到泵浦驅(qū)動(dòng)模塊的輸出電流，通過A/D 轉(zhuǎn)換為電壓信號發(fā)送給DSP，DSP通過計(jì)算得到PWM 方波，最后通過驅(qū)動(dòng)單元實(shí)現(xiàn)電流調(diào)節(jié)的目的。

圖3 泵浦驅(qū)動(dòng)模塊示意圖Fig. 3 Schematic diagram of the pump drive module

3.2 倍頻晶體溫控模塊

由于倍頻晶體對溫度變化十分敏感，因此，設(shè)計(jì)一個(gè)精準(zhǔn)的溫控系統(tǒng)十分必要。半導(dǎo)體制冷片是以半導(dǎo)體材料的珀?duì)柼?yīng)為原理，串聯(lián)多組PN 結(jié)制作而成的[10]。半導(dǎo)體制冷片上下兩面是陶瓷電極，中間是半導(dǎo)體元件，當(dāng)直流電源流過半導(dǎo)體制冷片的兩個(gè)電極時(shí)，其中一面的熱量將會被吸收，然后運(yùn)送到另一面釋放，從而實(shí)現(xiàn)熱量傳遞。制冷量Qc可通過式（1）描述：

其中，Qj為焦耳熱，Qk為傳導(dǎo)熱， α為熱電系數(shù)，Tc和Th分別表示半導(dǎo)體制冷片制冷側(cè)和加熱側(cè)的溫度，K為熱傳導(dǎo)系數(shù)，R為半導(dǎo)體制冷片的電阻值。

圖4 表示倍頻晶體溫控模塊示意圖。可見，晶體與半導(dǎo)體制冷片表面接觸，晶體溫度反饋通過熱敏電阻測得，熱敏電阻阻值與溫度關(guān)系為[11]：

圖4 倍頻溫控模塊示意圖Fig. 4 Schematic diagram of the frequency doubling temperature control module

式中，T1為 實(shí)際開爾文溫度，Rt為T1溫度下的阻值，T2為常溫開爾文溫度，R為T2溫度下的標(biāo)稱阻值，B值為熱敏指數(shù)，T1對 應(yīng)實(shí)際溫度t=T1-273.15。本溫控模塊選用在25 °C 下阻值為10 kΩ 的熱敏電阻，B=3 950 K。主控模塊完成預(yù)設(shè)溫度與實(shí)際溫度的閉環(huán)控制算法，直流輸出到半導(dǎo)體制冷片兩端進(jìn)行調(diào)節(jié)。半導(dǎo)體制冷片驅(qū)動(dòng)電壓為24 V，最大電流為7 A。

3.3 主控模塊

主控模塊硬件電路包括主控處理器、主控電源電路、溫度檢測電路和主控通信電路等。主控模塊負(fù)責(zé)接收上位機(jī)指令，并將指令成功執(zhí)行至激光器，使激光器能夠穩(wěn)定工作。同時(shí)，主控模塊需要對激光器運(yùn)行時(shí)的工作狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障，定位故障并上報(bào)故障信息，確保激光器的工作狀態(tài)及其使用環(huán)境符合需求。主控模塊具有12 路模擬采集通道，4 路模擬輸出通道，4 路422/485 串口通信通道，8 路232 串口通信通道，可編程開關(guān)16 路，所有硬件電路設(shè)計(jì)均滿足國產(chǎn)化需求。

主控處理器選用國產(chǎn)進(jìn)芯科技DSP+紫光同創(chuàng)FPGA，DSP 負(fù)責(zé)泵浦驅(qū)動(dòng)模塊和溫控模塊控制算法的計(jì)算、PWM 方波的產(chǎn)生以及與主控軟件通信；FPGA 則負(fù)責(zé)模擬信號采集，包括電流信號、溫度信號和氣壓信號等，此外，F(xiàn)PGA 也兼顧與外圍電路的通信等功能。

控制系統(tǒng)輸入電源為24 V 直流電壓，模擬采集與模擬輸出芯片需要5 V 直流供電，處理器模塊還需要被提供3.3 V 和1.8 V 的直流電壓。因此，需要設(shè)計(jì)電壓轉(zhuǎn)換電路，主電源芯片選自金升陽的隔離型寬電壓輸入電源模塊，其他輔助電源選用貝嶺的降壓電源穩(wěn)壓器。

A/D 模擬采集芯片和D/A 模擬輸出芯片均選自核芯互聯(lián)公司，A/D 轉(zhuǎn)換芯片是8 通道單端輸入電荷再分配逐次逼近型寄存器(SAR)型模數(shù)轉(zhuǎn)換器，使用SPI 兼容接口實(shí)現(xiàn)配置寄存器的寫入和轉(zhuǎn)換結(jié)果的讀取。硬件電路通過外圍擴(kuò)展多路復(fù)選芯片將模擬采集通道擴(kuò)展為12 路，分辨率為16 位，轉(zhuǎn)換速率200 kSPS。D/A 模擬輸出芯片具有4 路通道，分辨率為16 位，可提供低于1 LSB 的線性度，溫漂系數(shù)最大為5 ppm/ °C，與主控芯片的數(shù)字接口配置為SPI 模式，滿足激光器控制系統(tǒng)使用需求。

主控系統(tǒng)與上位機(jī)之間使用422 串口通信方式，為了抑制共模干擾和EMI 問題，串口芯片選擇金升陽的隔離型差分收發(fā)芯片，傳輸速率高達(dá)1 Mb/s，滿足系統(tǒng)通信需求。

3.4 軟件開發(fā)流程

主控系統(tǒng)的工作流程圖如圖5 所示。系統(tǒng)上電后首先進(jìn)行初始化，包括外設(shè)設(shè)置、參數(shù)初始化和待機(jī)初始化設(shè)置等。接著進(jìn)入上電自檢狀態(tài)，主要包括傳感器的溫濕度信息、壓力信息以及種子源自檢，自檢完成后設(shè)置晶體溫度，當(dāng)晶體溫度達(dá)到預(yù)設(shè)值之后進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)，等待上位機(jī)發(fā)送出光指令。該上位機(jī)系統(tǒng)還設(shè)置了調(diào)試模式，在調(diào)試模式下，上位機(jī)可以通過設(shè)置泵浦電流值調(diào)節(jié)激光器的輸出功率，滿足用戶的調(diào)試需要。系統(tǒng)接到停光指令后，激光器的泵浦電流值以0.5 A/s 的速率降為零，泵浦關(guān)閉之后再關(guān)閉種子源。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，進(jìn)入中斷程序，上報(bào)故障信息給上位機(jī)并采取急停方式關(guān)閉激光器。

圖5 主控系統(tǒng)工作流程示意圖Fig. 5 Working flow diagram of the control system

4 測量實(shí)驗(yàn)與結(jié)果

4.1 泵浦驅(qū)動(dòng)模塊測試

為了驗(yàn)證泵浦模塊的驅(qū)動(dòng)能力，對泵浦源進(jìn)行P-I特性測試，測試溫度為25 °C。實(shí)驗(yàn)過程中，泵浦驅(qū)動(dòng)模塊的電流由1 A 逐漸增加到20 A，并且每次供電過程都穩(wěn)定在10 min，記錄每個(gè)電流值下的光功率。由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可繪制出泵浦源的電流-光功率特性曲線，如圖6 所示。

圖6 泵浦源電流-功率特性曲線Fig. 6 Current-power characteristic curve of the pump source

根據(jù)圖6 對電流-功率數(shù)據(jù)進(jìn)行最小二乘擬合，可得到電流-功率的線性相關(guān)度為0.995 6。因此，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明泵浦源的電流-功率特性曲線具有良好的線性度。

4.2 晶體模塊溫度測試

在環(huán)境溫度為25 °C 的條件下，對晶體進(jìn)行加熱測試，溫度設(shè)定范圍為40～50 °C，每次設(shè)定溫度遞增1 °C，每個(gè)設(shè)定溫度值測量3 次，測量時(shí)間間隔為5 min。測試結(jié)果如表1 所示。

表1 溫度測試結(jié)果Tab.1 Results of temperature measurements (°C)

從表1 可以看出，實(shí)際溫度值能夠最終穩(wěn)定在目標(biāo)溫度，溫度誤差最大為0.03 °C，滿足倍頻晶體溫控模塊需求。

5 結(jié) 論

本文為滿足515-nm 大功率激光器穩(wěn)定工作的要求，設(shè)計(jì)一款全國產(chǎn)化高穩(wěn)定度的激光器控制系統(tǒng)。文中首先介紹了該激光器控制系統(tǒng)的工作原理以及系統(tǒng)組成；然后對大功率激光器控制系統(tǒng)的泵浦驅(qū)動(dòng)模塊、倍頻晶體溫控模塊和主控模塊進(jìn)行了詳細(xì)研究；最后，對泵浦源進(jìn)行上電測試，保證了激光器能夠穩(wěn)定輸出，此外，還對倍頻晶體模塊進(jìn)行了溫度測試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：溫度誤差最大為0.03 °C，控制系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測激光器的內(nèi)部狀態(tài)，安全可靠。倍頻后的激光器輸出中心波長為514.98 nm，功率可達(dá)170 W，光功率穩(wěn)定度為±0.07 dB。該激光器控制系統(tǒng)具有一定的通用性，并且所有元器件完全自主可控，可滿足一類激光器控制系統(tǒng)的需求，具有一定的實(shí)用性。