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)用于激光打標中脈沖光纖激光器的控制系統(tǒng)進行了研究，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)。實現(xiàn)了在打標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。實驗結(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，實現(xiàn)了對激光打標機的實時準確的控制。
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，使其在激光打標、印刷、微機械加工、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。激光打標是利用激光在需要進行標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記。作為一種現(xiàn)代精密加工方法，與腐蝕、電火花加工、機械雕刻、印刷等傳統(tǒng)的加工方法相比，激光打標具有較大的優(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，替代單片機控制器完成部分功能，減輕單片機的負擔；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)中進行諧振放大的諧振腔和激勵光躍遷的泵浦源即半導體激光器(LD)。其中諧振腔是由高反光柵(HR)和低反光柵(LR)構(gòu)成的正反饋機制組成。為實現(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，但在實際工業(yè)打標中其輸出的能量還是不足的。為進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)對其進行功率放大；實現(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展性功能。為此，采用以單片F(xiàn)PGA芯片為核心實現(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：首先通過上位機打標軟件，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)的重復頻率及打標方式等。經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后，通過并口傳輸給該控制系統(tǒng)。當FPGA檢測到上位機發(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。