基于FPGA的脈沖光纖激光器功率控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

周 建，祝連慶，張蔭民

(北京信息科技大學(xué)光電信息與通信工程學(xué)院，北京 100192)

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(diǎn)，使其在激光打標(biāo)、印刷、微機(jī)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［1－4］。激光打標(biāo)是利用激光在需要進(jìn)行標(biāo)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(biāo)記。作為一種現(xiàn)代精密加工方法，與腐蝕、電火花加工、機(jī)械雕刻、印刷等傳統(tǒng)的加工方法相比，激光打標(biāo)具有較大的優(yōu)勢(shì)，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(biāo)記［5］。

該設(shè)計(jì)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(jī)控制器完成部分功能，減輕單片機(jī)的負(fù)擔(dān);利用其快速的并行處理功能，可以同時(shí)處理多個(gè)控制指令，提高整個(gè)控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度。同時(shí)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(kāi)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［6－7］。由于在脈沖光纖激光器的諧振腔內(nèi)加入了開(kāi)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(jìn)行諧振放大的諧振腔和激勵(lì)光躍遷的泵浦源即半導(dǎo)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(jī)制組成。為實(shí)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(kāi)關(guān)，通過(guò)周期性改變諧振腔損耗，實(shí)現(xiàn)調(diào)Q激光脈沖輸出［8］。聲光調(diào)制器由對(duì)激光波長(zhǎng)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(hào)轉(zhuǎn)換為超聲波。聲光調(diào)Q器件置于激光器諧振腔中，當(dāng)超聲波在聲光介質(zhì)中傳播時(shí)，介質(zhì)會(huì)產(chǎn)生與超聲波信號(hào)相應(yīng)的、隨時(shí)間和空間周期變化的彈性形變，從而導(dǎo)致介質(zhì)折射率周期性變化，形成“相位光柵”。激光在超聲場(chǎng)作用下發(fā)生衍射，由于一級(jí)衍射光偏離諧振腔而導(dǎo)致?lián)p耗增加，使激光振蕩難以形成，高能級(jí)大量積累反轉(zhuǎn)粒子。某一時(shí)刻突然撤去超聲場(chǎng)，衍射效應(yīng)消失，諧振腔損耗下降，激光脈沖形成［8］。盡管利用調(diào)Q技術(shù)能夠獲得相對(duì)高的能量脈沖輸出，但在實(shí)際工業(yè)打標(biāo)中其輸出的能量還是不足的。為進(jìn)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(jí)，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(diǎn)是:主振蕩級(jí)主要是產(chǎn)生光束質(zhì)量較好的種子光，并通過(guò)光纖耦合器傳輸?shù)焦β史糯蠹?jí);功率放大級(jí)主要對(duì)主振蕩級(jí)輸出的種子光利用雙包層光纖放大技術(shù)對(duì)其進(jìn)行功率放大;實(shí)現(xiàn)了在保證輸出優(yōu)異光束質(zhì)量的同時(shí)又產(chǎn)生了高能量、高功率的脈沖輸出。

圖1 聲光調(diào)Q脈沖光纖激光器結(jié)構(gòu)圖

2 控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路:為實(shí)現(xiàn)脈沖光纖激光器能夠?qū)崟r(shí)、高效地控制，并使該系統(tǒng)具有一定的通用性和擴(kuò)展性功能。為此，采用以單片F(xiàn)PGA芯片為核心實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)，系統(tǒng)的原理框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)原理框圖

控制原理或過(guò)程:首先通過(guò)上位機(jī)打標(biāo)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(fù)頻率及打標(biāo)方式等。經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理后，通過(guò)并口傳輸給該控制系統(tǒng)。當(dāng)FPGA檢測(cè)到上位機(jī)發(fā)出的控制指令時(shí)，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(hào)來(lái)有序地控制脈沖光纖激光器正常工作。

3 功能模塊設(shè)計(jì)

系統(tǒng)絕大部分的控制功能都是在FPGA中實(shí)現(xiàn)。文中采用Alter公司生產(chǎn)的Cyclone系列FPGA，選用型號(hào)為EP1C3T100。該款芯片共有2 910個(gè)邏輯單元、13個(gè)M4K的存儲(chǔ)模塊、1個(gè)鎖相環(huán)和65個(gè)可自定義I/O腳。

3.1 聲光調(diào)制器(AOM)驅(qū)動(dòng)控制模塊

當(dāng)上位機(jī)打標(biāo)軟件設(shè)定聲光調(diào)制器的重復(fù)頻率為20～200 kHz時(shí)，經(jīng)過(guò)上位機(jī)控制板卡數(shù)據(jù)處理后，產(chǎn)生與設(shè)定頻率相同的周期方波信號(hào)并加載到該控制系統(tǒng)中。當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到方波信號(hào)的上升沿到來(lái)時(shí)，將產(chǎn)生與該信號(hào)同步的窄脈沖信號(hào)，脈沖寬度根據(jù)重復(fù)輸入頻率的值在0.1～1μs之間變化。

實(shí)現(xiàn)原理:(1)利用FPGA精確的定時(shí)能力設(shè)計(jì)一數(shù)字頻率計(jì)，對(duì)上位機(jī)輸出的方波信號(hào)進(jìn)行頻率檢測(cè)，當(dāng)檢測(cè)出被測(cè)信號(hào)的頻率后，利用FPGA精確的延遲技術(shù)，實(shí)現(xiàn)脈沖寬度可調(diào)的同步信號(hào)［9］。如圖3所示，為測(cè)頻法的基本原理［10］。在確定的閘門時(shí)間Tw內(nèi)，記錄被測(cè)信號(hào)的變化周期數(shù)或脈沖個(gè)數(shù)Nx，則被測(cè)信號(hào)的頻率為Fx=Nx/Tw，當(dāng)閘門的時(shí)間Tw為1 s時(shí)，測(cè)被測(cè)脈沖個(gè)數(shù)Nx就為被測(cè)信號(hào)的頻率。

圖3 測(cè)頻的基本原理

(2)該功能模塊在FPGA內(nèi)部組成原理如圖4所示。被測(cè)信號(hào)的頻率輸入范圍為20～200 kHz，基準(zhǔn)時(shí)鐘為FPGA的時(shí)鐘頻率100 MHz。因?yàn)榛鶞?zhǔn)時(shí)鐘的頻率為100 MHz并遠(yuǎn)大于被測(cè)信號(hào)的頻率，所以以被測(cè)信號(hào)的一個(gè)周期作為閘門時(shí)間即T1=10 ns，在T1內(nèi)對(duì)100 MHz的基準(zhǔn)時(shí)鐘進(jìn)行計(jì)數(shù)，被測(cè)周期的個(gè)數(shù)為N1，則被測(cè)信號(hào)的周期Tw=T1·N1。FPGA根據(jù)被測(cè)信號(hào)的頻率，產(chǎn)生與其對(duì)應(yīng)的同步脈沖信號(hào)，并加載到聲光調(diào)制器的輸入端。

圖4 AOM驅(qū)動(dòng)控制組成原理

(3)實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示，在不同的輸入頻率下示波器顯示的輸出波形。圖5(a)為在輸入重復(fù)頻率為200 kHz，輸出同步脈沖寬度為700 ns。圖5(b)為輸入重復(fù)頻率為58.8 kHz，輸出同步脈沖寬度為800 ns。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，利用FPGA可以成功地實(shí)現(xiàn)隨輸入頻率的不同，而產(chǎn)生不同的同步脈沖信號(hào)，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)要求。

圖5 不同頻率下輸出的同步脈沖波形

3.2 狀態(tài)機(jī)模塊

在整個(gè)控制系統(tǒng)中存在大量的時(shí)序關(guān)系，為實(shí)現(xiàn)對(duì)時(shí)序高效、可靠的邏輯控制，采用有限狀態(tài)機(jī)的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。有限狀態(tài)機(jī)有兩種基本類型:米利(Mealy)機(jī)和摩爾(Moore)機(jī)，米利機(jī)的下一狀態(tài)和輸出取決于當(dāng)前狀態(tài)和當(dāng)前輸入;摩爾機(jī)的下一狀態(tài)取決于當(dāng)前的狀態(tài)和當(dāng)前的輸入，但其輸出僅取決于當(dāng)前狀態(tài)［11］。這兩類有限狀態(tài)機(jī)的下一狀態(tài)和輸出都是由組合邏輯電路形成，其原理框圖如圖6所示。

圖6 狀態(tài)機(jī)原理框圖

FPGA根據(jù)狀態(tài)機(jī)的不同狀態(tài)，有序地實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能控制，例如對(duì)激光器電源加電的軟啟動(dòng)控制、平均輸出光功率的反饋控制、半導(dǎo)體激光器的開(kāi)啟與關(guān)斷時(shí)間控制和數(shù)據(jù)處理與顯示等功能。如圖7中(a)所示為半導(dǎo)體激光器由上電軟啟動(dòng)過(guò)程，首先由0電壓逐漸上升到工作電壓值，最后以脈沖輸出電壓的方式控制半導(dǎo)體激光器的工作狀態(tài)。圖7(b)所示為利用狀態(tài)機(jī)實(shí)現(xiàn)的部分時(shí)序控制仿真圖。圖中輸入信號(hào)pin19_1為脈沖光纖激光器的出光和不出光控制信號(hào)，當(dāng)pin19_1為高電平時(shí)，經(jīng)過(guò)FPGA數(shù)據(jù)處理后，將產(chǎn)生3路控制信號(hào)mo、pa1、pa2，分別用于控制主振蕩級(jí)半導(dǎo)體激光器LD1和功率放大級(jí)的半導(dǎo)體激光器LD2及LD3開(kāi)啟與關(guān)斷狀態(tài)。

圖7 系統(tǒng)軟啟動(dòng)輸出與時(shí)序仿真圖

3.3 功率控制模塊

對(duì)脈沖光纖激光器輸出平均功率的控制，采用模糊控制方法來(lái)保證輸出功率的穩(wěn)定性。模糊控制系統(tǒng)是一種自動(dòng)控制系統(tǒng)。其優(yōu)點(diǎn)是:其不依賴于精確的數(shù)學(xué)模型;并具有數(shù)學(xué)控制的精確性和軟件編程的靈活性［12］。由模糊控制理論可知，模糊控制系統(tǒng)所用的模糊控制器維數(shù)越高，系統(tǒng)的控制精度就越高。但是維數(shù)選擇越高，模糊控制規(guī)律就越復(fù)雜，基于模糊合成推理的控制算法的計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)就更困難［13］。在權(quán)衡了該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求與實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度兩方面因素后，采用雙輸入單輸出的二維模糊控制器設(shè)計(jì)。

如圖8所示為功率控制組成原理，首先由光電探測(cè)器將光纖激光器輸出的微弱光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，通過(guò)放大濾波后轉(zhuǎn)換為容易被處理的模擬電信號(hào)。將該信號(hào)通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換為可以被FPGA處理的數(shù)字信號(hào)，同時(shí)將其存入到寄存器中進(jìn)行緩存處理。對(duì)存入到緩存中的數(shù)據(jù)，一是用來(lái)與預(yù)先設(shè)定的功率值進(jìn)行比較產(chǎn)生誤差值E;二是當(dāng)下一個(gè)時(shí)鐘上升沿到來(lái)時(shí)，通過(guò)加減法器把前后兩次測(cè)量結(jié)果相減得到誤差值EC。根據(jù)獲得的誤差值E和誤差的變化EC，對(duì)存儲(chǔ)在只讀存儲(chǔ)器ROM中的模糊控制規(guī)則表進(jìn)行數(shù)據(jù)查詢，并將獲得的數(shù)據(jù)通過(guò)D/A轉(zhuǎn)換為模擬量來(lái)控制半導(dǎo)體激光器輸出電流的大小，從而控制脈沖光纖激光器輸出平均功率的大小。

圖8 功率控制組成原理圖

圖9(a)所示為模糊控制仿真功能圖，圖中mo_feedback為種子源功率反饋值，當(dāng)其反饋值小于設(shè)定值150時(shí)，說(shuō)明反饋值減小，此時(shí)FPGA根據(jù)設(shè)定模糊控制規(guī)則，會(huì)使種子源的輸出 mo_out值增大。圖9(b)為在FPGA模糊控制下的D/A轉(zhuǎn)換模擬量輸出，其輸出電壓值將控制LD輸出電流的大小。在工作正常時(shí)，D/A輸出模擬電壓值穩(wěn)定在約3 V，當(dāng)光電探測(cè)器探測(cè)的光功率反饋值大于設(shè)定功率值時(shí)，F(xiàn)PGA通過(guò)查找存儲(chǔ)在ROM中的模糊控制表來(lái)減小輸出的模擬電壓，最后使輸出模擬電壓約穩(wěn)定在0.5 V，此時(shí)使設(shè)定的功率值與實(shí)際測(cè)量的功率值相等。

圖9 模糊控制仿真功能圖與實(shí)際的模擬量輸出波形

4 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)脈沖光纖激光器在激光打標(biāo)中的工作原理，設(shè)計(jì)了以FPGA芯片為核心的功率控制系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了各功能模塊設(shè)計(jì)，并具有處理速度快、安全系數(shù)高等特點(diǎn)。能夠滿足光纖激光打標(biāo)機(jī)的指標(biāo)要求。同時(shí)為使該系統(tǒng)得到進(jìn)一步的推廣應(yīng)用，還需要對(duì)功率控制算法進(jìn)行完善，使其輸出的功率更加穩(wěn)定。

［1］GAO Cunxiao，ZHU Shaolan.High repetition，single mode nanosecond all fiber laser［J］.ACTA Photonica Sinica，2009，38(10):659 －668.

［2］CHEN Binglin，ZHANGHe，SUN Quanyi.Design on minitype high peak and narrow width pulsed power supply circuit of LD［J］.Chinese Journal of Scientific Instrument，2004，25(4):45－49.

［3］段云鋒，黃榜才，張鵬，等.高能量脈沖光纖激光器的研究進(jìn)展及其應(yīng)用［J］.光器件，2006(8):55－57.

［4］張勁松.高功率光纖激光器發(fā)展概況［J］.光器件，2009(12):8－10.

［5］尚連聚.LD泵浦的聲光調(diào)Q摻鐿全光纖激光器［D］.天津:天津大學(xué)，2007.

［6］梅林.摻鐿雙包層脈沖光纖激光器研究［D］.武漢:華中科技大學(xué)，2005.

［7］林東風(fēng).瓦級(jí)MOPA結(jié)構(gòu)ps脈沖光纖激光器［D］.長(zhǎng)沙:國(guó)防科技大學(xué)，2008.

［8］張文啟.MOPA結(jié)構(gòu)聲光調(diào)Q摻鐿全光纖激光器研究［D］.北京:北京工業(yè)大學(xué)，2011.

［9］巫中偉.窄脈沖半導(dǎo)體激光器驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)及頻率控制技術(shù)［D］.南京:南京理工大學(xué)，2007.

［10］周潤(rùn)景，蘇良碧.基于QuartusⅡ的數(shù)字系統(tǒng)Verilog HDL設(shè)計(jì)實(shí)例詳解［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2011.

［11］劉福奇，劉波.Verilog HDL應(yīng)用程序設(shè)計(jì)實(shí)例精講［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2009.

［12］王學(xué)倫.基于FPGA的模糊控制在電磁推進(jìn)中的應(yīng)用［D］.成都:西南交通大學(xué)，2008.

［13］張科，靖固.一種模糊控制器在FPGA上的分析設(shè)計(jì)［J］.工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2008，21(8):43－46.