專(zhuān)利名稱(chēng)：統(tǒng)計(jì)式脈沖激光光反饋裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于激光技術(shù)領(lǐng)域。
脈沖激光器重復(fù)頻率工作時(shí)，每個(gè)單脈沖激光能量的波動(dòng)將影響激光輸出穩(wěn)定性。對(duì)于泵浦燈激勵(lì)的固體激光器，目前常用的控制方法是控制儲(chǔ)能電容的充電精度。


圖1是一種固體激光器的充電控制原理圖。
圖1中直流電源V通過(guò)充電開(kāi)關(guān)KC給儲(chǔ)能電容C充電。電阻RW上得到取樣電壓，經(jīng)高倍直流放大器F，得到充電信號(hào)UC，將UC送入電壓比較器FD。如ue＝ue，ue代表充電給定基準(zhǔn)電壓，表示充電電壓到位，F(xiàn)D輸出停止充電信號(hào)uk，此時(shí)完成了充電控制的全過(guò)程。但是，激光脈沖輸出還需以下環(huán)節(jié)，uk控制充電開(kāi)關(guān)Kc開(kāi)啟，放電開(kāi)關(guān)KD合閉，泵浦燈點(diǎn)燃，在全反射鏡R和部分反射鏡T間的工作物質(zhì)被激勵(lì)，在反射鏡T一端獲得激光脈沖。激光脈沖的能量為E＝ 1/2 CV2ηC電容容量，V充電電壓，η電光能量轉(zhuǎn)換效率。
由圖1和公式可以看出，這只是一種半閉環(huán)的控制方式，影響激光能量輸出的因素有三項(xiàng)，目前只考慮了充電電壓。實(shí)際上，電容量C和電光能量轉(zhuǎn)換效率是不可忽視的影響因素。電容壽命是有限的，溫度變化，電介質(zhì)損耗都將導(dǎo)致電容量變化。而影響電光轉(zhuǎn)換效率的因素就更多了，如泵浦燈發(fā)光效率下降，激光工作物質(zhì)的冷卻條件，激光器件的機(jī)械穩(wěn)定性等。所以，只考慮充電電壓精度，控制激光能量穩(wěn)定性是有限度的。
本實(shí)用新型的目的，是在半閉環(huán)實(shí)時(shí)反饋控制之中，加入了非實(shí)時(shí)，統(tǒng)計(jì)性調(diào)節(jié)機(jī)制，同時(shí)對(duì)充電電壓和激光脈沖能量取出反饋控制信號(hào)，全面考慮充電電壓，電容容量，電光轉(zhuǎn)換效率的影響。
圖2是本實(shí)用新型的基本原理和結(jié)構(gòu)圖。
本實(shí)用新型設(shè)計(jì)出了一種統(tǒng)計(jì)式脈沖激光光反饋裝置。由于脈沖激光器與連續(xù)激光器工作方式不同，充電儲(chǔ)能時(shí)間遠(yuǎn)大于激光振蕩輸出時(shí)間，傳統(tǒng)的閉環(huán)實(shí)時(shí)光反饋不適用。也不能完全依據(jù)前一個(gè)脈沖能量基準(zhǔn)控制后一個(gè)脈沖能量，這樣導(dǎo)致系統(tǒng)工作在不穩(wěn)定的振蕩狀態(tài)，因?yàn)殡姽廪D(zhuǎn)換效率η之中，還有一些可恢復(fù)的短時(shí)偶發(fā)性波動(dòng)因素，如冷卻水流，水壓，機(jī)械振動(dòng)等。
圖3描述了脈沖激光輸出波動(dòng)情況。
圖3中縱坐標(biāo)為能量E，橫坐標(biāo)為時(shí)間T。設(shè)定E2為能量允許波動(dòng)的上限，E1為下限。O－TN時(shí)間內(nèi)，總的脈沖個(gè)數(shù)為N0，N2表示過(guò)上限光脈沖，N1表示過(guò)下限光脈沖，NT＝N2－N1反映區(qū)間內(nèi)波動(dòng)趨勢(shì)。如NT＞0，我們控制充電電壓下調(diào)某個(gè)數(shù)值。如NT＜0，我們控制充電電壓上調(diào)某個(gè)數(shù)值。對(duì)于可恢復(fù)的偶發(fā)性波動(dòng)，如ts時(shí)刻的脈沖NS，一并計(jì)入N2－N1的有效計(jì)數(shù)，反饋系統(tǒng)不予單獨(dú)考慮，從而保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
本技術(shù)方案的實(shí)時(shí)反饋機(jī)制是，控制電容充電壓精度，非實(shí)時(shí)、統(tǒng)計(jì)性反饋機(jī)制是，在TN區(qū)間內(nèi)，對(duì)NO個(gè)脈沖的波動(dòng)趨勢(shì)進(jìn)行判別，自動(dòng)調(diào)節(jié)基準(zhǔn)電壓，在一次監(jiān)測(cè)時(shí)間TN內(nèi)，由光反饋控制的基準(zhǔn)電壓uL改變2n分之一(uQ)，n取值大于8時(shí)，系統(tǒng)的穩(wěn)定性可以保障，最終的電容充電電壓由合成基準(zhǔn)電壓uS控制，uS＝－( (R3)/(R1) ue＋ (R3)/(R2) uL) (2)
設(shè)激光能量穩(wěn)定輸出基量為EO，充電電壓為VO。光能量上浮百分比為V2，對(duì)應(yīng)電壓為V2，光能量下浮百分比為Y1，對(duì)應(yīng)電壓為V1。
(E2)/(E0) ＝ 1/2 CV22／ 1/2 CV20＝1＋Y2(E1)/(E0) ＝ 1/2 CV21／ 1/2 CV20＝1－Y1V2－V1＝KVFVF為光反饋控制的最大電壓調(diào)整量。
可得出VO＝ (V1)/(1 - Y1)K＝ (V1)/(VF) ( (1 + Y2)/(1 - Y1) －1)圖4表示本技術(shù)方案的結(jié)構(gòu)圖。
本技術(shù)方案主要組成部分有光脈沖接收與采樣單元(1)，能量鑒別與短時(shí)間快速調(diào)節(jié)單元(2)，長(zhǎng)時(shí)間調(diào)節(jié)與D／A轉(zhuǎn)換單元(3)，合成基準(zhǔn)電壓?jiǎn)卧?4)，時(shí)序信號(hào)單元(5)。
圖5是電原理圖，下面分別說(shuō)明光脈沖接適與采樣單元(1)中，主要原件有光電接收器(6)，差動(dòng)輸入直流放大器(7)，直流放大器(8)，積分采樣保持器(9)，電子開(kāi)關(guān)(10)，激光脈沖經(jīng)光電接收器(6)接收后經(jīng)兩級(jí)放大，由積分采樣保持器(9)變成一系列電壓信號(hào)，串行送入后接脈沖鑒別單元。放大器(7)(8)(9)是一片四運(yùn)放LM347。電子開(kāi)關(guān)K1和K2是CD4053的兩個(gè)電子開(kāi)關(guān)，動(dòng)作時(shí)間由后面的說(shuō)明的時(shí)序信號(hào)決定。
在能量鑒別與短時(shí)快速調(diào)節(jié)單元(2)中，主要原件有雙限電壓比較器(11)，正計(jì)數(shù)與門(mén)(12)，負(fù)計(jì)數(shù)與門(mén)(13)，監(jiān)控脈沖總數(shù)計(jì)數(shù)器(14)，有效選通脈沖計(jì)數(shù)器(15)，復(fù)位或門(mén)(16)，經(jīng)采樣單元串行送入的電壓信號(hào)，進(jìn)入雙限電壓比較器(11)，選出超過(guò)上限和低于下限的脈沖個(gè)數(shù)，送入有效選通脈沖計(jì)數(shù)器(15)。當(dāng)N2－N1≠0時(shí)，計(jì)數(shù)器(15)的進(jìn)位端或借位端輸出上調(diào)或下調(diào)光反饋基準(zhǔn)電效uL的信號(hào)。監(jiān)控脈沖達(dá)到NO時(shí)，對(duì)應(yīng)計(jì)數(shù)器(14)的最大計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)器(14)的輸出端Qi使計(jì)數(shù)器(15)清零。
長(zhǎng)時(shí)間調(diào)節(jié)與D／A轉(zhuǎn)換單元(3)中，主要原件有n位雙向可予置計(jì)數(shù)器(17)，n的取值取決于光反饋基準(zhǔn)電壓u2的最大階梯數(shù)，即uL＝2nuQ，uQ為一個(gè)最小調(diào)節(jié)階梯。D／A轉(zhuǎn)換器(18)，直流放大器(19)。由計(jì)數(shù)器(15)送出的信號(hào)進(jìn)入計(jì)數(shù)器(17)，計(jì)數(shù)器(17)輸出一個(gè)n位二進(jìn)制數(shù)r，O＜r＜2n，r值被D／A轉(zhuǎn)換器(18)變換成模擬電壓信號(hào)(光反饋基準(zhǔn)電壓)。當(dāng)計(jì)數(shù)器(17)的n位全為高電平時(shí)，說(shuō)明光反饋已達(dá)最大調(diào)節(jié)上限。計(jì)數(shù)器(17)的最高位可以輸出一個(gè)信號(hào)VF，作為更換激光泵浦燈指示，這在實(shí)際工作中可以給操作者帶來(lái)方便。
合成基準(zhǔn)電壓?jiǎn)卧?4)中，由直流放大器(20)，電阻R1(21)，電阻R2(22)，電阻R3(23)組成比例加法器。電容充電電壓取樣的光電耦合器(24)，電壓比較器(25)，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器(26)。由充電給定基準(zhǔn)電壓ue，光反饋基準(zhǔn)電壓uL，構(gòu)成合成基準(zhǔn)電壓uS，uS與充電取樣電壓uC在電壓比較器(25)中進(jìn)行電壓比較，發(fā)出充電到位信號(hào)uK，經(jīng)單穩(wěn)態(tài)放大器(26)，輸出停止充電信號(hào)。
在時(shí)序信號(hào)單元(5)中，主要原件有積分延時(shí)器(27)，采樣脈沖延時(shí)器(28)，計(jì)數(shù)脈沖延時(shí)器(29)，鎖存脈沖延時(shí)器(30)，四個(gè)延時(shí)器使用兩個(gè)雙單穩(wěn)CD4098。
圖6表示電路時(shí)序關(guān)系。
圖6中，VA表示放電脈沖，VB表示積分脈沖，VC表示采樣脈沖，VD表示計(jì)數(shù)脈沖，VE表示鎖存脈沖。延時(shí)器(27)和(28)以泵浦燈放電脈沖為基準(zhǔn)，延時(shí)器(29)以延時(shí)器(28)的延遲時(shí)間后沿為基準(zhǔn)，延時(shí)器(30)以延時(shí)器(29)的延遲時(shí)間后沿為基準(zhǔn)，電路干擾最強(qiáng)的時(shí)刻為泵浦燈點(diǎn)燃時(shí)，這種時(shí)序安排，將短時(shí)間快速調(diào)節(jié)單元(2)中的計(jì)數(shù)脈沖，以及D／A轉(zhuǎn)換中的鎖存脈沖避開(kāi)了強(qiáng)干擾時(shí)間。
本技術(shù)方案有如下特點(diǎn)(1)在每個(gè)監(jiān)控時(shí)間TN內(nèi)，光反饋基準(zhǔn)電壓變化一個(gè)uQ，充電電壓升或降一個(gè)階梯，uQ的取值可以很小，保證了系統(tǒng)調(diào)節(jié)的連續(xù)性和穩(wěn)定性。
(2)在TN時(shí)間內(nèi)，對(duì)極少數(shù)光脈沖的偶發(fā)性波動(dòng)，以及光脈沖的對(duì)稱(chēng)性波動(dòng)，系統(tǒng)具有鑒別能力，短時(shí)間快速調(diào)節(jié)單元可消除這些非調(diào)節(jié)因素對(duì)反饋系統(tǒng)的影響。
(3)光反饋系統(tǒng)對(duì)于一些可恢復(fù)因素造成的脈沖能量波動(dòng)具有自動(dòng)平衡能力，其影響在長(zhǎng)時(shí)間調(diào)節(jié)中隨外界影響因素的消除而自動(dòng)消失。
(4)激光系統(tǒng)長(zhǎng)期工作后，泵浦燈發(fā)光效率下降屬于正常影響因素，光反饋將自動(dòng)補(bǔ)償這個(gè)能量損失。如將光反饋?zhàn)畲笱a(bǔ)償值做為更換泵浦燈標(biāo)準(zhǔn)，本技術(shù)方案能夠自動(dòng)給出指示信號(hào)，這將給操作者帶來(lái)許多方便。
(5)本實(shí)用新型具有很強(qiáng)的通用性，對(duì)于任何有自動(dòng)充電調(diào)節(jié)的重復(fù)頻率光脈沖輸出裝置均可適用。
重復(fù)頻率工作的脈沖激光器，是工業(yè)用激光加工機(jī)的重要光源，一般都要求激光器長(zhǎng)時(shí)間工作，脈沖能量穩(wěn)定，本實(shí)用新型將提供一種切實(shí)可行的光反饋穩(wěn)定輸出裝置。
權(quán)利要求1.統(tǒng)計(jì)式脈沖激光光反饋裝置，其特征是由光脈沖接收與采樣單元(1)，能量鑒別與短時(shí)間快速調(diào)節(jié)單元(2)，長(zhǎng)時(shí)間調(diào)節(jié)與D/A轉(zhuǎn)換單元(3)，合成基準(zhǔn)電壓?jiǎn)卧?4)，時(shí)序信號(hào)單元(5)組成；所說(shuō)的光脈沖接收與采樣單元(1)，主要由光電接收器件(6)，差動(dòng)輸入直流放大器(7)，直流放大器(8)，積分采樣保持器(9)，電子開(kāi)關(guān)(10)構(gòu)成，激光脈沖經(jīng)光電接收器(6)接收后經(jīng)兩級(jí)放大，由積分采樣保持器變成一系列電壓信號(hào)，串行送入后接脈沖鑒別單元；所說(shuō)的能量鑒別與短時(shí)間快速調(diào)節(jié)單元(2)，主要元件有雙限電壓比較器(11)，正計(jì)數(shù)與門(mén)(12)，負(fù)計(jì)數(shù)與門(mén)(13)，監(jiān)控脈沖總數(shù)計(jì)數(shù)器(14)，有效選通脈沖計(jì)數(shù)器(15)，復(fù)位或門(mén)(16)，經(jīng)采樣單元串行送入的電壓信號(hào)，進(jìn)入雙限電壓比較器(11)，選出超過(guò)上限的脈沖個(gè)數(shù)N2和低于下限的脈沖個(gè)數(shù)N1，送入有效選通脈沖計(jì)數(shù)器(15)，計(jì)數(shù)器(15)的進(jìn)位端或借住端輸出上調(diào)或下調(diào)光反饋基準(zhǔn)電壓的信號(hào)，計(jì)數(shù)器(14)達(dá)到最大計(jì)數(shù)時(shí)，其輸出端使計(jì)數(shù)器(15)清零；所說(shuō)的長(zhǎng)時(shí)間調(diào)節(jié)與D/A轉(zhuǎn)換單元(3)，主要元件由n位雙向可予置計(jì)數(shù)器(17)，D/A轉(zhuǎn)換器(18)，直流放大器(19)，計(jì)數(shù)器(15)送出的信號(hào)進(jìn)入計(jì)數(shù)器(17)，計(jì)數(shù)器(17)輸出一個(gè)n位二進(jìn)制數(shù)，該二進(jìn)制數(shù)被D/A轉(zhuǎn)換器(18)變換成模擬電壓信號(hào)，當(dāng)計(jì)數(shù)器(17)的n位數(shù)全為高電平時(shí)，其輸出端送出一個(gè)指示信號(hào)；所說(shuō)的合成基準(zhǔn)電壓?jiǎn)卧?4)，主要由直流放大器(20)，電阻(21)，電阻(22)，電阻(23)，電壓取樣光電耦合器(24)，電壓比較器(25)，單穩(wěn)壓觸發(fā)器(26)，直流放大器(20)，電阻(21)，電阻(22)，電阻(23)組成比例加法器，充電給定基準(zhǔn)電壓ue，充電取樣電壓uc在電壓比較器(25)中進(jìn)行電壓比較，電壓比較器(25)發(fā)出充電電壓到位信號(hào)uk，uk經(jīng)單穩(wěn)放大器(26)，輸出停止充電信號(hào)；所說(shuō)的時(shí)序信號(hào)單元(5)，由積分延時(shí)器(27)，采樣脈沖延時(shí)器(28)，計(jì)數(shù)脈沖延時(shí)器(29)，鎖存脈沖延時(shí)器(30)組成，延時(shí)器(27)和(28)以泵浦燈放電脈沖為基準(zhǔn)，延時(shí)器(29)以延時(shí)器(28)的延遲時(shí)間后沿為基準(zhǔn)，延時(shí)器(30)以延時(shí)器(29)的延遲時(shí)間后沿為基準(zhǔn)。
專(zhuān)利摘要統(tǒng)計(jì)式脈沖激光光反饋裝置，本實(shí)用新型屬于激光技術(shù)領(lǐng)域。由光脈沖接收與采樣單元(1)、能量鑒別與短時(shí)間快速調(diào)節(jié)單元(2)、長(zhǎng)時(shí)間調(diào)節(jié)與D/A轉(zhuǎn)換單元(3)、合成基準(zhǔn)電壓?jiǎn)卧?4)、時(shí)序信號(hào)單元(5)組成。為了控制重復(fù)頻率工作的脈沖激光器的輸出穩(wěn)定性，本裝置全面考慮了儲(chǔ)能電容充電電壓，儲(chǔ)能電容容量變化，電光轉(zhuǎn)換效率的影響，對(duì)給定脈沖數(shù)的波動(dòng)趨勢(shì)進(jìn)行判別，將電反饋基準(zhǔn)電壓和光反饋基準(zhǔn)電壓合成為自動(dòng)調(diào)整的充電基準(zhǔn)電壓，在實(shí)時(shí)反饋的基礎(chǔ)上，加入了非實(shí)時(shí)的統(tǒng)計(jì)性調(diào)節(jié)機(jī)制。本裝置適用于任何帶有自動(dòng)充電調(diào)節(jié)的重復(fù)頻率光脈沖輸出系統(tǒng)。
文檔編號(hào)H01S3/13GK2084239SQ9020852
公開(kāi)日1991年9月4日 申請(qǐng)日期1990年6月12日 優(yōu)先權(quán)日1990年6月12日
發(fā)明者龍曉, 張銳, 姚建銓, 武星, 吳福順 申請(qǐng)人:天津大學(xué)