CN109755852A - 基于多模可控的固体激光输出控制装置及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于多模可控的固体激光输出控制装置，包括控制单元，以及，激光发生单元，包括LD模块，LD驱动源，激光谐振腔以及倍频晶体；机械光闸,其设置在激光谐振腔内且与所述的控制单元可控连接；二维Q开关模组，包括Q驱动电源，以及两个设置于谐振腔后镜前方位置处且垂直设置的声光Q开关；用以冷却所述的LD模块和声光Q开关的水冷单元；以及监控温度、湿度、光功率、压力和位置的传感模块。本发明可以同时实现机械光闸、Q开关、LD电流控制等多模式的激光输出控制，满足激光输出模式的灵活切换、输出功率的迅速控制、输出状态的及时转变以及整机可靠性等诸多需求。
Description
技术领域
本发明涉及固体激光技术领域，特别是涉及一种基于多模可控的固体激光输出控制装置及控制方法。
背景技术
随激光技术的发展，激光已在材料加工、表面处理、医学治疗、科学研究、军事等领域获得广泛应用。在激光的各种应用过程中，对激光输出模式的控制、对激光输出功率的控制、对激光光路开关状态的快速有效切换等,始终是一个无法回避的现实问题。
针对特定应用，在激光切割、标刻等应用场合通常利用机械光闸的来实现激光输出的阻断及开放，但机械光闸多使用步进电机、伺服电机、电磁阀等器件作为执行机构，其动作灵敏度、响应速度、可靠性等使得在一些需要高速激光输出控制的场合难以符合要求；在另外一些特殊应用场合，还利用Q开关(Q-Switching)等方法实现了电子光开关，然而受Q开关器件本身特性影响，对大功率的激光输出不能有效关断，也有其局限性。
随固体激光技术的发展，因其紧凑的结构、较高的电光转换效率、良好的光束质量以及可靠的性能在工业、医疗、国防、科研等诸多领域获得了广泛应用。然而，就固体激光器***本身而言，仍缺乏一种能适应性多场合应用的激光输出控制装置及方法。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术中存在的技术缺陷，而提供一种基于多模可控的固体激光输出控制装置及控制方法，适应激光加工、医学治疗、军事应用、科研实验等需要快速控制激光输出模式、功率及状态的多样性需求的场合。
为实现本发明的目的所采用的技术方案是：
一种基于多模可控的固体激光输出控制装置，包括控制单元，以及，
激光发生单元，包括LD模块，LD驱动源，激光谐振腔以及倍频晶体；
机械光闸,其设置在激光谐振腔内且与所述的控制单元可控连接；
二维Q开关模组，包括Q驱动电源，以及两个设置于谐振腔后镜前方位置处且垂直设置的声光Q开关；
用以冷却所述的LD模块和声光Q开关的水冷单元；
以及监控温度、湿度、光功率、压力和位置的传感模块。
所述的控制单元包括，
处理器模块；
状态检测及反馈模块；实时检测固体激光器***及实时运行状态信息，接受传感模块的输出信息并反馈至处理器模块；
逻辑控制模块，与LD驱动源和Q驱动源及机械光闸可控连接以对动作逻辑进行协调控制；
存储器模块，存储激光输出模式数据及固体激光器***的运行信息；
接口驱动模块，用实现处理器模块与远控或触摸屏通讯。
处理器模块包括微处理器和SRAM；所述的存储器模块为FLASH闪存器。
所述的机械光闸包括底座，设置在所述的底座上的旋转电磁铁，设置在所述的旋转电磁铁上的挡光板，以及用以感测所述的挡光板位置的光电传感器，其中，所述的挡光板由高导热性金属材质制成。
所述的光电传感器为U型光电传感器，所述的挡光板由紫铜材质制成。
所述的机械光闸设置在泵浦模块与前镜之间。
所述的底座上设置有支架，所述的旋转电磁铁设置在所述的支架上，所述的挡光板与所述的旋转电磁铁固定连接且可旋转至支架上方以阻断光路，所述的U型光电传感器设置在旋转电磁铁正下方，所述的旋转电磁铁为自复位旋转电磁铁。
还包括将所述的机械光闸容纳其中的密封舱，所述的密封舱与挡光板对应的前后侧面上设置有窗镜以允许光路通过。
所述的窗镜为增透膜高透镜片。
所述的密封舱与所述的谐振腔固定连接，或者，所述的密封舱与所述的机械光闸固定连接为一体。
所述的LD模块为激光二极管泵浦的固体激光器泵浦模块，所述的LD驱动源包括高速响应的运放和MOS开关器件。
所述的固体激光器的控制方法，包括以下模式；
1)瞬时阻断强光输出模式
11)同步控制机械光闸和Q驱动单元阻断光路，12)迅速控制将LD驱动源的电流将至0；
2)工作中调整模式
21)同步控制机械光闸和Q驱动单元阻断光路，
其中，当机械光闸断电时，旋转电磁铁复位弹簧拉动挡光板至光路关闭位置，阻止激光光束的通过，直接破坏激光的起振条件来实现阻断激光产生，所述的LD驱动电源在数毫秒或数十毫秒内电流降为零。
22)缓慢调整激光输出参数；
3)脉冲输出方式，机械光闸释放光路，Q驱动单元调节激光谐振腔内Q值产生脉冲激光；
4)连续激光输出方式，机械光闸开放光路，Q开关被禁止工作，增加LD驱动电流，产生连续输出激光。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明可以同时实现机械光闸、Q开关、LD(Laser Diode,)即由激光二极管泵浦的固体激光器泵浦模块，电流控制等多模式的激光输出控制，满足激光输出模式的灵活切换、输出功率的迅速控制、输出状态的及时转变以及整机可靠性等诸多需求。
附图说明
图1所示为本发明的基于多模可控的固体激光输出控制装置的原理示意图。
图2所示为控制单元结构示意图；
图3所示为控制流程示意图；
图4所示为本发明的基于多模可控的固体激光输出控制装置的结构示意图。
图5所示为机械光闸控制结构示意图。
图6所示为本发明的声光调Q晶体的驱动电源的结构示意图；
图7所示为机箱的***态结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明的基于多模可控的固体激光输出控制装置包括,控制单元1，
激光发生单元，包括LD模块，如激光二极管泵浦的固体激光器泵浦模块，LD驱动源，激光谐振腔以及倍频晶体；LD驱动电源的驱动电流用以改变电流将改变激光输出功率，电流为0A时，激光输出将被关断，其中，驱动电流的升降速率可以自由设置，迅速关断或缓慢升降电流功率；
机械光闸,其设置在激光谐振腔内且与所述的控制单元可控连接；
二维Q开关模组，包括Q驱动电源，以及两个设置于谐振腔后镜45前方位置处且垂直设置的声光Q开关；二维Q开关模组用以改变谐振腔内Q值，产生脉冲激光---脉冲激光输出模式，当施加驱动信号到二维Q开关上时，激光输出将被关断；
用以冷却所述的LD模块和声光Q开关的水冷单元；以及监控温度、湿度、光功率、压力和位置的传感模块。
其中，水冷单元和传感模块8等构成辅助单元6，其中水冷单元的水冷机7采用水冷冷凝式制冷循环***，主要为激光器中二维Q开关模组18、LD模块4、LBO(三硼酸锂，LiB3O5,在本发明中起激光输出倍频作用的一种非线性功能晶体)倍频晶体28等光电器件提供水冷保护，以保证激光器稳定可靠运行。
所述的传感模块8用以感测各种参数，传感器模块8由各温度、湿度、流量、光功率、压力、位置等传感器及其电路组成，可以实时检测固体激光器的运行状态并反馈至控制单元1。固体激光机舱内温度、流量、光功率、压力等传感器均安装于固体激光机舱内，因此对相关传感器件的安装尺寸、位置等有要求，需要有光学、机械、信号控制等组件的协调配合来实现。
如光功率检测，可以采用光电或热电探测传感器件，光功率检测模块包括分光电路、衰减片等光学镜片，将输出的百瓦级甚至千瓦级的激光分光、衰减为光电探测器件可以探测的mW级弱光，分光光路的设计(如分光镜片的选择、分光比例的设计)必须协同考虑。最终mW级的弱光被转换为mV的信号，由AD转换、信号调理等驱动电路进行处理。
所述的机械光闸设置在泵浦模块41与前镜42之间。所述的机械光闸3包括固定设置在谐振腔40内的底座51，设置在所述的底座上的旋转电磁铁14，设置在所述的旋转电磁铁上的挡光板52，以及用以感测所述的挡光板位置的光电传感器15，其中，所述的挡光板由高导热性金属材质制成，如紫铜、黄铜等。
所述机械光闸单元主要由自复位旋转电磁铁和光电传感器组成。通过在旋转电磁铁14上安装一个挡光板52，当旋转电磁铁14，如M3013418R型旋转电磁铁，旋转一个角度时，即实现了激光输出的阻断，当旋转电磁铁14复位时，激光输出又被放开。光电传感器15用于检测挡光板52的实际位置，可用于实时检测当前激光输出的放开及阻断状态，区别于现有机械光闸，本发明机械光闸单元5安装于固体激光器的机舱的谐振腔内部。
本发明的机械光闸安装与谐振腔内，通过直接破坏激光的起振条件来实现阻断激光产生,即挡光片瞬间破坏了激光起振条件，不再有激光产生，也就不会再有热量产生，通过利用高导热性金属材质的挡光板，即可省去常规机械光闸的水冷机构，简化结构。本发明机械光闸采用高导热性能的紫铜等材料加工，根据固体激光器的腔内光路设计，机械尺寸小、结构简单、加工方便、安装便捷，将挡板简单安装于旋转电磁铁上即可，而且阻断光路瞬间无灰尘。
进一步地，所述的底座上设置有竖直设置的板状支架，所述的自复位旋转电磁铁，如M3012418R设置在所述的支架上，所述的挡光板与所述的旋转电磁铁固定连接且上端可旋转至支架上方以阻断光路，所述的U型光电传感器，如PM-24F设置在旋转电磁铁正下方。其中，机械光闸的控制电路通过接口单元与控制单元可控连接，所述的控制电路包括用以输出电流对电磁铁进行驱动的电磁铁驱动输出单元，以及与所述的U型光电传感器通讯连接的NPN信号输入模块。采用长条形挡光板，当挡光板竖直时延伸到支架上方进行光路阻断，同时挡光板下端伸入U型光电传感器间，实时反馈阻断状态，实现控制闭环。
优选地，还包括将所述的机械光闸容纳其中的密封舱55，所述的密封舱与挡光板对应的前后侧面上设置有窗镜56。优选地，所述的窗镜为增透膜高透镜片。
其中，所述的密封舱与所述的谐振腔固定连接，或者，所述的密封舱与所述的机械光闸固定连接为一体。所述的密封舱优选内部保持负压。
机械光闸采用了全密封结构的密封舱，机械光闸前后采用增透膜高透镜片作为窗镜，既不会影响激光光路，又将整个执行机构密封起来，结合挡光板金属材质的选用，多种措施避免微小尘埃逸出到谐振腔内。
具体应用时，不能将机械光闸和二维Q开关模组理解为简单叠加使用，举例：当在激光切割或雕刻、清洗等应用场合，出于安全或保证加工质量等考虑，经常需要在工作过程中快速的调整激光的输出状态参数，这个时候就需要协调控制机械光闸来瞬时(短时)阻断光路。然后再迅速(可能为ms级，电流升降速率很大)控制LD电流降为0；而在工作过程中，因临时调整参数而阻断光路时，则是先阻断光路，然后再缓慢调整参数，这样就保证了加工有效进行。
本发明固体激光输出控制装置可以实现固体激光器中多种模式的激光输出控制，包括利用机械光闸、二维Q开关、LD驱动电流的一种或多种方式组合实现激光输出模式(脉冲激光、连续激光)的控制，激光输出功率的控制、以及激光输出有无的开关控制。
同时，本发明固体激光输出控制装置采用开放式的结构体系，可以适应不同应用场合的要求，可根据需要配置为采用一种或同时多种激光输出控制模式，通过硬件平台和软件程序的裁剪等配置，实现激光输出的多模式可控，以适应各领域的多样性需求。此处的裁剪指功能是否允许工作，硬件上指通过上电状态、使能信号等方式来实现是否允许对应功能工作，结构设计上主要通过设计上电、使能等状态的硬件电路来实现，软件上的裁剪指通过相关的屏蔽指令、或裁剪相关的软件程序代码来打开或关闭对应功能。
具体来说，所述的控制单元包括，处理器模块；包括微处理器和SRAM；状态检测及反馈模块；实时检测固体激光器***及实时运行状态信息，接受传感模块的输出信息并反馈至处理器模块；逻辑控制模块，与LD驱动源和Q驱动源及机械光闸可控连接以对动作逻辑进行协调控制；存储器模块，存储激光输出模式数据及固体激光器***的运行信息；如FLASH闪存器；接口驱动模块，用实现处理器模块与远控或触摸屏通讯。
所述控制单元1是整个输出控制装置的核心，负责协调控制各组成单元的逻辑工作状态，其主要由状态检测及反馈模块20、逻辑控制模块21、处理器模块22、存储器模块23以及接口驱动模块26组成。其中，状态检测及反馈模块20主要负责实时检测固体激光器***及各组成单元实时运行状态信息，它可以接受传感器模块8的输出信息并反馈至处理器模块22进行处理；逻辑控制模块21负责对本发明各组成单元的动作逻辑进行协调控制，如当某个传感器信号异常时，禁止Q驱动源19和LD驱动源17工作，其硬件实现可由现场可编程门阵列FPGA(Field Programmable Gate Array)器件及相应电路来完成；处理器模块22由微处理器24和SRAM(静态随机存储器，Static Random Access Memory)存储器25组成，微处理器24可选用STM32F4XX系列处理器，SRAM存储器25可选用IS61LV51216系列器件；存储器模块23主要用来存储本发明中预置的各种激光输出模式数据及固体激光器***的相关运行信息，其一般可由FLASH闪存器件来实现；接口驱动模块26主要是实现与本发明中各组成单元接口的RS232、RS485、CAN以及NPN输入输出等物理接口，主要由相关接口元器件和对应电路组成。
其中，所述的LD驱动源包括高速响应的运放和MOS开关器件。
所述激光发生单元4主要由LD模块16和LD驱动源17组成。LD模块16是由半导体二极管侧面泵浦的激光器泵浦模块，是激光器激光的产生源，其主要受LD驱动源17的控制，通过控制LD驱动源17的输出电流大小、输出电流升降速率，即可控制固体激光器的输出功率大小，进而实现激光输出有无的快速控制。其中，本发明中可以通过配置LD驱动源17的输出电流升降速率，在一些需要快速增大、迅速降低输出功率的场合，或者需要立即关断激光输出的场合，可以根据具体要求将输出电流的升降速率设置为一个较大的值，这样即有效提高了激光输出控制的响应速度，满足输出控制的多样性要求。通过软件控制高速响应(ms级)的运放、MOS开关电路、器件来实现，快速关断需要结合软硬件来实现。
具体地，LD驱动电源快速增大、迅速降低、立即关断等需要软硬件结合来实现，指软硬件的协同设计，采用PWM调制、PID参数整定等方法，实现LD的电流输出快速增大、减小等精确控制。硬件上主要是控制器件(MCU等)，根据输入的电流数值，产生对应PWM调制信号，再经滤波、功率放大等电路，进而控制恒流元件，产生所需电流，电流经采样电阻到达负载，而控制器件(MCU等)对采样电阻的采样信号进行AD转换，以此作为调整PWM信号的反馈信号，如此经过多次调整，即可实现精确的电流输出控制。即为一个软硬件协同动作的PID过程。
所述二维Q开关模组5包括二维Q开关18和Q驱动源19，其中二维Q开关18为两个相互垂直安装的声光Q开关，其分别受Q驱动源19控制，Q驱动源19的工作状态和频率等参数均可以自由配置，其接受控制单元的控制指令，通过输出两路射频控制信号到二维Q开关18上，实现激光输出的开关控制及Q调制等功能，根据外部控制信号将相应的射频信号施加到Q开关元件上完成激光有无控制和进行Q调制。特别的，本发明中，Q驱动源的输出状态、频率等参数均接受控制单元1的控制，当Q驱动源19的输出状态为禁止状态时，激光输出模式即可变为连续模式；当Q驱动源19的输出状态为使能时，通过调整Q驱动源19的不同输出频率，激光输出模式即可变为频率可调的脉冲激光。
具体地说，本发明的声光调Q晶体的Q驱动电源，包括，
主控制板，包括用以产生振荡信号的晶体振荡电路、生成射频信号的调制电路和用以将射频信号进行初级放大的初级信号放大电路，如晶体三极管；
中级信号放大及驱动分配器，用以放大所述的射频信号并分成两路相同的驱动信号；
两路末级功率放大电路，用于对应放大所述的驱动信号并进行功率合成；
与末级功率放大电路一一对应的两个输出模块，包括选频单元和输出检测单元以及连通至两声光调Q晶体18的射频电缆。
所述的中级信号放大及驱动分配器包括耦合变压器，多个并联设置的MOS管功放电路，其中，所述的末级功率放大电路包括MOS推挽功放电路和功率合成变压器。所述的选频单元为LC谐振网络，所述的输出检测单元为双镍锌磁环，所述的输出检测单元与所述的主控制板通讯连接。
本发明的驱动电源具有双路同步输出特性，可同时驱动两个声光Q开关进行激光开关控制，采用多级功率放大设置，发热小，对散热要求也小，功耗低，在长期使用上有保障，安装维护都很简单后期维修更新都有相应的器件储备。
具体地说，所述的输出检测单元包括与主控制板上的反馈信号处理模块通讯连结的功率采用模板和反射信号模块，其中一个LC谐振网络的输出采用双镍锌磁环感应采样30：1采样灵敏以输出异常时快速进入保护状态，另一个LC谐振网络的输出采用双镍锌磁环感应采样30：2采样，输出功率采样用于反馈控制驱动级驱动幅度大小从而自动调整驱动功率，控制输出功率恒定。输出信号经过LC串联谐振回路去谐波分量，通过调节可调的电容控制输出谐波的功率，使谐波分量最小。LC谐振网络(LC滤波回路)中使用的是Q值很高的电感和电容，耐压也是很高，LC谐振调节C可以实现谐振点的偏移，对输出功率有影响，好处是体积小，滤波和限幅一同进行，调节范围小，功率点精确。
采样的信号是功放级末端输出的射频信号，主要是两个作用一个是对比输出反射驻波比，一个是用于输出正向功率的采样，采样信号用于自身的电路保护和闭环功率控制。
作为其中一个具体实施例，此驱动电源采用27MHZ石英晶体振荡器产生27MHZ信号，选频滤波后，再通过晶体三极管放大电路放大此信号，再通过耦合变压器到达中级MOS管功率放大电路，然后分成两路驱动信号同时驱动两组末级MOS推挽功放电路到达功率合成变压器，后经过LC谐振网络进入输出监测模块，最后通过特征阻抗50欧姆的射频电缆传输至声光调Q开关器件，Q电源产生两路27MHZ、55瓦的射频正弦波输出，匹配负载为特征阻抗50欧姆的电声光Q开关晶体。此驱动电源逻辑芯片供电为+5V供电，中间级驱动放大电路供电为+12V，末级功放直流偏置电压为+48V、2.5A。
此Q驱动电源为交流220V输入，输出为同步的两路射频信号，每路输出为27MHZ，55瓦，可接受上位机控制开关机，可向外发送错误状态，可接受上位机设定信号输出，输出功率可调+/-20％。同时采用2U标准机箱。发热冷却采用内部强制风冷，过热保护温度为70摄氏度。前面板具有一个本地开关机开关，一个1路负载故障指示灯，一个2路负载故障指示灯，一个过热指示灯，一个内部信号控制指示灯，一个外部信号控制指示灯。后面板具有内控、外控切换开关。具有可调射频关断脉宽电位器一个，可调节输出射频信号在接受到关门信号后关断时间的长短。
其中，为实现远程控制，所述的调制模块包括TTL控制模块，所述的TTL控制模块包括，
信号转换单元，其接收TTL控制信号并进行电平转换；
触发模块，根据转换后的电平产生可控脉冲宽度的脉冲，如脉冲触发器等；
混频模块，用以将所述的脉冲混入振荡信号中并输入至初级信号放大电路。外部输入的TTL控制信号到达电源内部的信号转换模块进行电平转换，然后加入触发模块，触发产生可控脉冲宽度的脉冲加入到混频模块把控制信号混入射频波中，然后推动后面各级放大电路，完成最终输出要求。
通过该TTL控制模块，使该驱动电源具有外部TTL电平控制功能，可通过外部计算机发送信号电平控制电源运行进而控制激光输出，该功能可实现一个同步信号过来同时控制多台激光***的锁光环节的双路Q驱动电源，进行多个激光器的同步激光释放。即每台双路电源控制的一个激光器为一路，可支持多个这样的***并联一起工作。
优选地，所述的调制模块还包括内部调制单元和可调射频关断脉宽电位器，所述的内部调制单元受控产生方波信号以用于脉冲调制射频信号。内部调制单元具有内部调制信号产生功能，可内部产生1-100KHZ方波信号用于脉冲调制射频信号，设定此信号等于设定激光开门时间，激光输出频率。可调射频关断脉宽电位器可调节输出射频信号在接受到关门信号后关断时间的长短。
为实现两种控制模式的切换，还设置有内外控切换开关，其是指内部调制单元产生的调制信号有效或者外部输入即，TTL电平的调制脉冲有效两种状态的切换开关，该内外控切换开关是通过触点切换开关实现的。
进一步地，还包括机箱7，如标准2U上架机箱外形，体积小，在所述的机箱内设置有温度传感器。此Q驱动电源具有故障报警输出功能，通过状态监测电路实现在机内过热超过70摄氏度时或者输出射频信号与负载不匹配时，停止电源输出，并且向外提供报警信号。
具体地，所述的机箱7包括箱式四面开放的壳体70，以及与壳体固定连接的后侧板、前侧板、左侧板71和右侧板72，在所述的机箱的左侧板、右侧板和前侧板上分别对应设置有风孔。所述的后侧板上设置有输入输出接线端子、外控接口、后边风孔以及电网输入端口，所述的机箱的前侧板上设置有指示灯和操控按键，如电源开关。
所述的机箱内设置有左右延伸的横向隔板71将其分成前后两个腔室，在靠近后侧板的腔室内从右向左依次设置有远控模块、主控制板90、风机91和一个末级功率放大电路92(末级功率放大级)，所述的主控制板和中级信号放大及驱动分配器呈上下结构设置在主控制电路板上，在靠近前侧板的腔室内从左到右设置有两个功率放大级直流供电模块93，风机94和末级功率放大电路95，在与两个腔室对应的左侧板和右侧板上分别设置有风孔，同时在该腔室内设置有直流供电模块，直流供电模块为主控制电路板和中级信号放大及驱动分配器供电，将供电模块与主控板等隔离，减少电磁污染。
利用散热风机带动气流从右侧及前侧进入并对主控制板和直流供电模块等风冷散热后进入所述的区域进行再次散热，双流路设计，在散热上采用了紧凑风道设计，使得风冷的散热回路小，节省空间，实现比较短的散热风路使风流向的回路变短提高了散热效率。另外在驱动电路部分采用的是上下结构下部是散热器提高了空间使用率，取消了前面板开关设计，实现统一设定，减小了开关接口外延空间。
同时，该驱动电源的内部输入主线上串联有固态继电器，所述的固态继电器与上位机可控连接。输入端采用固态继电器控制主回路供电，上位机直流低电压控制交流高电压，低压控高压，远程开关机。驱动电源具有上位机控制开机关机功能，由此实现，上位机给控制电平控制输入主电有无实现控制驱动电源的开启与停止。
采用两个Q开关和使用垂直安装方式，一方面可以提高激光输出控制的关断能力，另一方面可以提高脉冲激光的输出功率。两个二维Q开关采用同步控制方式，均受同一个Q驱动电源控制。
本发明中，两个声光Q开关同时安装于固体激光谐振腔内后镜的前方，与现有二维Q开关相比，本发明两个Q开关都同时安装于谐振腔后镜位置处，具有通光孔径小、关断效率高等突出优点。
本发明的固体激光器的控制方法，包括以下模式；
1)瞬时阻断强光输出模式
11)同步控制机械光闸和Q驱动单元阻断光路，
12)迅速控制将LD驱动源的电流将至0，ms级；
2)工作中调整模式
21)同步控制机械光闸和Q驱动单元阻断光路，
22)缓慢调整激光输出参数；
3)脉冲输出方式
机械光闸释放光路，Q驱动单元调节激光谐振腔内Q值产生脉冲激光。
4)连续激光输出方式
机械光闸开放光路，Q开关被禁止工作，增加LD驱动电流，产生连续输出激光。
即，机械光闸通过阻断/放开光路来控制激光输出，二维Q开关：该变谐振腔内Q值，产生脉冲激光---脉冲激光输出模式，当施加驱动信号到二维Q开关上时，激光输出将被关断。LD驱动电流：改变电流将改变激光输出功率，电流为0A时，激光输出将被关断，驱动电流的升降速率可以自由设置，迅速关断或缓慢升降电流功率，根据应用场合确定的各种激光输出，包括但不限于：连续激光输出、脉冲激光输出、以及功率可变(激光加工时功率随曲线变化)的激光输出等。
本发明在一种装置上实现了多种模式固体激光输出控制，满足了多应用场合对固体激光输出模式、输出功率、输出状态的控制要求。同时，利用远控PC机、本地触摸屏等接口可以很方便的设置激光的输出模式及参数，LD驱动单元可以改变驱动电流的大小和升降速率，提高了激光输出控制的响应速度。此外，在一些特殊场合中，机械光闸单元、LD驱动单元、二维Q开关模组三种输出控制方式可以一种或多种同时使用并结合状态检测反馈，当一种模式失效时，可以由另外一种替代，提高了激光器***的可靠性。
本发明基于多模可控的固体激光输出控制装置，机械光闸单元3的组成模块旋转电磁铁14和光电开关15、LD模块4、二维Q开关18均安装于固体激光器机舱27内部。首先通过远控PC12或本地触摸屏13配置固体激光输出模式参数或通过读取存储器模块23内的预置输出模式控制参数后，然后由控制单元1解析出激光输出模式、输出功率、输出状态等实际参数，经由接口单元2分别发送至机械光闸单元3、LD驱动单元4、Q驱动单元5，其次各组成单元按照将按设定参数动作，实现激光输出模式的控制，再次光闸的位置状态、LD驱动单元的电流电压、激光的输出功率、Q开关的开关状态频率等参数可由传感器模块8等反馈至控制单元1进而实现输出参数的微调，最终实现固体激光输出的精确闭环控制。
所述接口单元2主要包括：1.与远控PC12或本地触摸屏13通讯的人机接口11，通过人机接口11可以为配置、显示控制参数等信息提供直接的操作接口；2.由RS232/485、CAN、USB等组成的通讯总线接口10；3.一些标准或非标准的IO(输入输出)接口组成的IO接口9，其可以提供模拟电流、DC电压信号等输入接口用以连接外部检测装置，检测装置一般为各种传感器，可用于对外部的压力、位置、温度、流量等信号进行检测；同时还提供数字信号输出接口用于输出相应的反馈控制信号到检测装置与执行机构。
内置是机械光闸结合快速降低LD电流、利用Q开关来迅速关断激光等技术，在腔内机械光闸阻断激光产生的同时，控制LD迅速降低电流到0A或者控制Q开关阻断激光输出，根据具体出光状态，多种模式的同时或组合使用，提高了关断的有效性，降低了对腔内光闸散热要求。
综上所述，本发明将机械光闸、二维Q开关以及LD驱动源的输出电流及电流升降速率等功能组件、配置方法集成为一个整体，利用一个装置、一套***即实现了固体激光多种模式的输出控制。各模块不是简单的叠加，是有配合性的组合，如当控制输出脉冲激光时，需要对Q驱动的工作状态、重复频率、首脉冲抑制等参数、LD驱动的输出电流、机械光闸的位置状态一系列参数、状态进行协调控制，包括使能状态、数值大小、逻辑顺序，需要由配合性的逻辑顺序控制等动作。本发明采用的方法装置，具有首脉冲抑制的有益功能，可以实现相关工况要求。还可根据具体工况或试验场合调整脉冲激光输出的重复频率。
本发明的有益效果为：
1.在同一装置中实现了多种模式的激光输出控制，适应多场合快速有效实现激光输出模式、输出功率及输出状态控制的需要。
2.利用远控PC机、本地触摸屏、读取预置模式数据等方式可以很方便的设置激光的输出模式及参数，
3.LD驱动单元可以改变LD模块驱动电流的大小和升降速率，提高了激光输出控制的响应速度。
4.在一些特殊场合中，机械光闸、LD驱动单元、二维Q开关三种输出控制方式可以一种或多种同时使用并结合状态检测反馈，当一种模式失效时，可以由另外一种替代，拓展了输出控制装置的应用领域,提高了固体激光器***的可靠性。
5.区别于现有技术，在谐振腔内实现了由旋转电磁铁和光电开关实现的机械光闸,通过直接阻断破坏激光的谐振条件并结合LD电流控制方式,避免了使用结构复杂且可靠性相对较低的吸收体,有效提高固体激光器***的可靠性，光闸和降电流的动作协调控制，在机械光闸阻断光路的同时，可以迅速降低LD的驱动电流到0A，实现了双保险。
6.使用了声光调Q模组开关，提高了激光关断效率和调Q能力.
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (14)
1.一种基于多模可控的固体激光输出控制装置，其特征在于，包括控制单元，以及，
激光发生单元，包括LD模块，LD驱动源，激光谐振腔以及倍频晶体；
机械光闸,其设置在激光谐振腔内且与所述的控制单元可控连接；
二维Q开关模组，包括Q驱动电源，以及两个设置于谐振腔后镜前方位置处且垂直设置的声光Q开关；所述的Q驱动电源，包括，主控制板，包括用以产生振荡信号的晶体振荡电路、生成射频信号的调制电路和用以将射频信号进行初级放大的初级信号放大电路；中级信号放大及驱动分配器，用以放大所述的射频信号并分成两路相同的驱动信号；两路末级功率放大电路，用于对应放大所述的驱动信号并进行功率合成；与末级功率放大电路一一对应的两个输出模块，包括选频单元和输出检测单元以及连通至声光调Q晶体的射频电缆；
用以冷却所述的LD模块和声光Q开关的水冷单元；
以及监控温度、湿度、光功率、压力和位置的传感模块。
2.如权利要求1所述的基于多模可控的固体激光输出控制装置，其特征在于，所述的控制单元包括，
处理器模块；
状态检测及反馈模块；实时检测固体激光器***及实时运行状态信息，接受传感模块的输出信息并反馈至处理器模块；
逻辑控制模块，与LD驱动源和Q驱动源及机械光闸可控连接以对动作逻辑进行协调控制；
存储器模块，存储激光输出模式数据及固体激光器***的运行信息；
接口驱动模块，用实现处理器模块与远控或触摸屏通讯。
3.如权利要求1所述的基于多模可控的固体激光输出控制装置，其特征在于，所述的选频单元为LC谐振网络，所述的输出检测单元为双镍锌磁环，所述的输出检测单元与所述的主控制板通讯连接。
4.如权利要求3所述的基于多模可控的固体激光输出控制装置，其特征在于，其中一个LC谐振网络的输出采用双镍锌磁环感应采样30：1采样灵敏以输出异常时快速进入保护状态，另一个LC谐振网络的输出采用双镍锌磁环感应采样30：2采样，采样输出功率用于反馈控制驱动级驱动幅度大小从而自动调整驱动功率，控制输出功率恒定。
5.如权利要求1所述的基于多模可控的固体激光输出控制装置，其特征在于，所述的调制模块包括TTL控制模块，所述的TTL控制模块包括，
信号转换单元，其接收TTL控制信号并进行电平转换；
触发模块，根据转换后的电平产生可控脉冲宽度的脉冲；
混频模块，用以将所述的脉冲混入射频信号中并输入至初级信号放大电路。
6.如权利要求1或5所述的基于多模可控的固体激光输出控制装置，其特征在于，所述的调制模块包括内部调制单元和可调射频关断脉宽电位器，所述的内部调制单元受控产生方波信号以用于脉冲调制射频信号。
7.如权利要求1所述的基于多模可控的固体激光输出控制装置，其特征在于，所述的机械光闸包括底座，设置在所述的底座上的旋转电磁铁，设置在所述的旋转电磁铁上的挡光板，以及用以感测所述的挡光板位置的光电传感器，其中，所述的挡光板由高导热性金属材质制成，所述的光电传感器为U型光电传感器，所述的挡光板由紫铜材质制成。
8.如权利要求7所述的基于多模可控的固体激光输出控制装置，其特征在于，所述的机械光闸设置在泵浦模块与前镜之间。
9.如权利要求7所述的基于多模可控的固体激光输出控制装置，其特征在于，所述的底座上设置有支架，所述的旋转电磁铁设置在所述的支架上，所述的挡光板与所述的旋转电磁铁固定连接且可旋转至支架上方以阻断光路，所述的U型光电传感器设置在旋转电磁铁正下方，所述的旋转电磁铁为自复位旋转电磁铁。
10.如权利要求7所述的基于多模可控的固体激光输出控制装置，其特征在于，还包括将所述的机械光闸容纳其中的密封舱，所述的密封舱与挡光板对应的前后侧面上设置有窗镜以允许光路通过。
11.如权利要求10所述的基于多模可控的固体激光输出控制装置，其特征在于，所述的窗镜为增透膜高透镜片。
12.如权利要求8所述的基于多模可控的固体激光输出控制装置，其特征在于，所述的密封舱与所述的谐振腔固定连接，或者，所述的密封舱与所述的机械光闸固定连接为一体。
13.如权利要求4所述的基于多模可控的固体激光输出控制装置，其特征在于，所述的LD模块为激光二极管泵浦的固体激光器泵浦模块，所述的LD驱动源包括高速响应的运放和MOS开关器件。
14.如权利要求1-13任一项所述的基于多模可控的固体激光输出控制装置的控制方法，其特征在于，包括以下模式；
1)瞬时阻断强光输出模式
11)同步控制机械光闸和Q驱动单元阻断光路，
12)迅速控制将LD驱动源的电流将至0；
2)工作中调整模式
21)同步控制机械光闸和Q驱动单元阻断光路，
其中，当机械光闸断电时，旋转电磁铁复位弹簧拉动挡光板至光路关闭位置，阻止激光光束的通过，直接破坏激光的起振条件来实现阻断激光产生，所述的LD驱动电源在数毫秒或数十毫秒内电流降为零；
22)缓慢调整激光输出参数。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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