Nd∶YAG脈沖激光器雙光路輸出分時控制系統的設計

張 健，張慶茂，吳銳歡，陳 國，李澤曦，劉頌豪

（華南師范大學廣東省微納光子功能材料與器件重點實驗室，廣東廣州510006）

Nd∶YAG脈沖激光器雙光路輸出分時控制系統的設計

張 健，張慶茂*，吳銳歡，陳 國，李澤曦，劉頌豪

（華南師范大學廣東省微納光子功能材料與器件重點實驗室，廣東廣州510006）

針對現有激光器多光路加工特點，采用Nd∶YAG脈沖激光器為光源，研制出激光器雙光路輸出分時控制系統。提出了具體的分時分光技術方案，設計出能夠實現分時分光的分光裝置，以及對裝置的工作狀態進行實時控制的分時控制電路，并確定了系統的程序流程。在不降低輸出功率的前提下，實現了激光在不同時間、不同輸出端口的輸出，完成了分時分光。為避免因分光裝置抖動而造成的光纖損壞，利用黑色相紙對光斑進行采樣。結果表明：在全反鏡改變位置后至激光輸出，延時300 ms為最佳時間。該系統能實現激光的時分復用、動態分光，滿足了多光路輸出需求；而且系統的擴展能力強，能夠根據實際激光加工狀況，為激光加工設備的改進和升級提供思路。

Nd∶YAG激光器；雙光路；分時控制；分光裝置

1 引 言

激光加工技術是將控制、工藝和激光器相結合，實現光、機、電、材料加工一體化［1］的先進制造工藝技術。與傳統的加工技術相比，其能夠最大限度地集中能量，易于操作及實現自動化控制，且具有加工柔性高、效率高、能耗低、節能環保的特點，在航空、航天、汽車、模具、機械、微電子工業等制造領域已經得到廣泛應用，是機械加工技術的重要發展方向，被譽為“21世紀的加工手段”［2-3］。

自從激光誕生以來，激光加工技術已經由脈沖波形向連續波形發展［4-7］，由小功率薄板加工向大功率厚件加工發展。目前，激光加工技術仍發展迅猛，進一步提高激光加工的工作效率已成為各制造領域的共同目標。隨著激光設備向自動化、高集成化發展，傳統的單工作臺單工件激光加工已經不能滿足高效率激光加工的要求，多工件多工位激光加工已成為新的發展趨勢［8-9］。現有的激光加工設備基本都是單光路傳輸系統，加工不同形狀、不同尺寸的工件時，需要多次裝夾及調試，耗時、耗力、效率低，因此對激光的多光路輸出提出了新的要求。現有多光路輸出技術可分為多光源的多光路技術［10］和能量分光技術。前者采用多臺激光器并聯或串聯的形式實現多光路輸出；后者是通過在激光器輸出端放置不同透射率的反射鏡，實現對原有光束的分光處理［11］。但是，多光源的多光路技術對散熱、電磁屏蔽技術有較高要求，受環境影響大，而裝置本身需要較精密的零件，成本高，離工業化應用還有一定距離；能量分光技術不可避免地降低各光路的功率，在大功率加工的條件下，不能滿足激光加工要求。同時，各光路只能同時輸出，不能實現個別光路單獨輸出，缺乏靈活性。

為克服上述能量分光技術以及多光源多光路技術的不足，本文結合Nd∶YAG脈沖激光器的特點［12-16］，提出一種分時分光技術。通過動態地改變系統的原有光路，在保持激光器原有輸出功率的前提下，實現了激光在不同時間、不同輸出端口的輸出和分時分光。文中集成開發了Nd∶YAG激光器雙光路輸出分時控制系統及程序。

2 系統總體設計及控制原理

圖1 Nd∶YAG激光器雙光路輸出分時控制系統Fig.1 Nd∶YAG laser double-pass output time-sharing control system

激光器雙光路輸出分時控制系統由Nd∶YAG脈沖激光器、分光裝置、分時控制電路、45°全反鏡、光纖組成。分光裝置由30°旋轉磁鐵、全反鏡、全反鏡固定架、擋光片及基座構成。當分光裝置的全反鏡處于降落狀態時，由Nd∶YAG激光器輸出的光束，經45°全反鏡1反射后，直接入射到45°全反鏡2，再次反射后，耦合進入光纖A，實現A路輸出，并實現脈沖激光器在其工位下的連續作業；當分光裝置的全反鏡處于抬升狀態時，由Nd∶YAG激光器輸出的光束，經45°全反鏡1反射后，入射至分光裝置中的全反鏡，經其反射后，耦合進入光纖B，實現B路輸出，實現脈沖激光器在其工位下的連續作業。由此通過分光裝置全反鏡升鏡的升降，可以滿足激光束在不同時段、不同光路中的傳輸。Nd∶YAG激光器雙光路輸出分時控制系統總體結構如圖1（a）所示，分光裝置如圖1（b）所示。

3 分時控制電路的設計

3.1 分時控制電路的設計原理

分時控制電路由微處理器模塊、全反鏡位置檢測模塊、激光輸出控制模塊，磁鐵驅動模塊組成。分時控制電路以微處理器模塊為核心，連接其它工作模塊。當微處理器從工作臺出光按鍵或工業計算機接收到電平信號后，全反鏡位置檢測模塊對全反鏡位置進行檢測。當全反鏡處于目標位置時，電路不做處理；反之，微處理器模塊通過激光輸出控制模塊控制激光器停止輸出，然后磁鐵驅動模塊控制30°旋轉磁鐵旋轉，最終改變全反鏡位置，達到改變激光光路的目的。分時控制電路原理圖如圖2所示。

圖2 分時控制電路原理圖Fig.2 Schematic diagram of time-sharing control circuit

3.2 分時控制電路的模塊設計

（1）微處理器模塊

微處理器模塊由按鍵電路、微處理器組成。工作臺出光按鍵被按下時，光耦工作狀態改變，光耦輸出端向微處理器發送電平信號。微處理器根據檢測到的電平信號，通過程序處理，識別A或B工作臺按鍵狀態。其中微處理器連接按鍵電路，可接收按鍵信號，同時微處理器模塊連接工業計算機，可實現自動化控制［17］。微處理器模塊控制端口用于連接全反鏡位置檢測模塊、磁鐵驅動模塊和激光輸出控制模塊。微處理器模塊如圖3所示。

圖3 微處理器模塊Fig.3 Microprocessormodule

圖4 全反鏡位置檢測模塊Fig.4 Holophote position detectionmodule

（2）全反鏡位置檢測模塊

全反鏡位置檢測模塊包括檢測電路和反饋電路。當檢測電路上的光開關被擋光片遮擋，光開關、光耦合器的工作狀態改變，最后反饋電路向微處理器模塊發送全反鏡位置信號，微處理器模塊根據從模塊接收到的電平信號，對全反鏡的位置進行識別、控制。全反鏡位置檢測模塊如圖4所示。

（3）激光輸出控制模塊

激光輸出控制模塊主要包括輸入端和輸出端。輸入端接收來自微處理器模塊的電平信號，控制光耦，進而控制繼電器的工作狀態，最終控制激光輸出回路的通斷，控制激光。激光輸出控制模塊如圖5所示。

圖5 激光輸出控制模塊Fig.5 Laser output controlmodule

（4）磁鐵驅動模塊

磁鐵驅動模塊包括輸入電路、輸出電路、泄放電路。輸入電路接收到微處理器模塊發送的信號后，通過控制光耦、三極管、場效應管的工作狀態，最終控制30°旋轉磁鐵旋轉。其中，泄放電路通過消除因30°旋轉磁鐵工作狀態改變而產生的反向電動勢，達到保護電路的目的。磁鐵驅動模塊如圖6所示。

圖6 磁鐵驅動模塊Fig.6 Magnetworkingmodule

3.3 軟件設計

根據系統硬件的正常工作流程，進行了與之相適應的軟件設計。當接收到來自工作臺出光按鍵或工業計算機的電平信號，微處理器模塊通過全反鏡位置檢測模塊檢測全反鏡位置。當全反鏡已經處于目標位置時，系統不做處理；否則，激光輸出控制模塊控制激光器停止輸出激光，然后，磁鐵驅動模塊控制30°旋轉磁鐵旋轉，最終改變全反鏡位置，延遲一段時間，激光器輸出激光。程序流程圖如圖7所示。

4 實驗及結果

實驗裝置采用所設計的激光器雙光路輸出分時控制系統，如圖8所示。實驗定義延遲時間為分光裝置抬起或降落后，激光輸出延遲的時間（簡稱延時），即激光輸出滯后于分光裝置抬起或降落的時間。由于分光裝置抬起到位后，旋轉磁鐵機械運動會導致分光裝置中全反鏡的微抖動，從而產生激光束微晃動，造成輸出光纖端面的損壞，故采用黑色相紙分別對從全反鏡改變位置后至激光輸出不同延時的光斑進行采樣［17］。根據采樣的光斑形貌來判斷分光裝置微抖動穩定的時間，并以此確定延時。實驗在峰值為30 A，脈寬為1 ms的條件下，距離分光裝置15 cm處，采用黑色相紙分別對從全反鏡改變位置后至激光輸出延時100、200、300、400 ms時的光斑進行采樣。

圖8 系統實物圖Fig.8 Photograph of the system

實驗結果表明：延時為300、400 ms時，所采樣到的光斑圓整。又考慮到激光工作效率，故選用300ms為最佳輸出延時。不同延時光斑采樣圖如圖9所示。輸出光路中若采用硬光路輸出，不用考慮到光纖的損壞問題［18］，延時可以通過軟件任意設置，有利于提高光束的切換效率。

圖9 不同延時光斑采樣圖Fig.9 Picture of light spot samples in different delays

5 結 論

本文設計的Nd∶YAG脈沖激光器雙光路輸出分時控制系統在控制分光裝置中全反鏡的位置，保持原有激光輸出的功率的前提下，可實現不同時間、不同光路的輸出，能夠進行多工作臺、多工件的激光加工。

（1）系統中的全反鏡檢測模塊能避免全反鏡由于各種故障而不能準確移動到目標位置，導致光纖損壞或激光在錯誤輸出口輸出等問題，從而增強系統的安全性、準確性；

（2）系統的擴展能力強，在本系統的基礎上，配備多個分光裝置，即可增加光路輸出路數，能夠根據實際激光加工狀況，為激光器的改進和升級提供便利；

（3）在峰值為30 A，脈寬為1 ms條件下，距離分光裝置15 cm處，利用黑色相紙對系統輸出的兩路激光進行光斑采樣，結果表明：系統延時300 ms時光斑圓整，為最佳輸出延時，激光工作效率最高。

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作者簡介：

張 健（1982—），男，山東濟寧人，博士研究生，主要從事激光技術及其應用方面的研究。E-mail：zhangjian200623@sina.com

張慶茂（1966-），男，河北昌黎人，教授，1995年于吉林工業大學獲得碩士學位，2000年于中國科學院長春光學精密機械與物理所獲得博士學位，主要從事激光先進制造技術方面的研究。E-mail：zhangqm@scnu.edu.cn

吳銳歡（1992-），男，廣東揭陽人，本科生，主要從事光電技術方面研究。E-mail：wurh_92@126.com

陳 國（1989-），男，廣東肇慶人，本科生，主要從事激光加工技術方面的研究。E-mail：chenguodk@163.com

李澤曦（1991—），男，廣東江門人，本科生，主要從事光學、電學方面的研究。E-mail：fox_lzx@163.com

劉頌豪（1930—），男，廣東廣州人，中國科學院院士，首批博士生導師，我國著名光學和激光專家，1951年于廣東文理學院獲得學士學位，曾任中國科學院安徽光學精密機械所所長、中國科學院合肥分院副院長、華南師范大學校長、全國政協委員、廣東省科協副主席，現為中國光學學會常務理事，美國光學學會資深會員，主要從事分子束光譜和激光生物分子光譜等方面的研究。E-mail：liush@scnu.edu.cn

Design of Nd:YAG pulsed laser double-pass output time-sharing control system

ZHANG Jian，ZHANG Qing-mao*，WU Rui-huan，CHEN Guo，LIZe-xi，LIU Song-hao
（Laboratory of Nanophotonic Functional Materials and Devices in Guangdong Province，South China Normal University，Guangzhou 510006，China）
*Corresponding author，E-mail：zhangqm@scnu.edu.cn

On account of the characteristics of laser double-pass processing，a Nd∶YAG pulsed laser is chosen as the light source，and a laser time-sharing control system for double-pass outputs is developed.A concrete implemented project for time-sharing spectral technology is put forward，the beam split device is designed to achieve time-sharing beam split，and the time-sharing control circuit is designed to control the device in real time.Then，system program procedure is determined.Finally，laser outputs from different ports in different time are obtained under keeping the output powers.In order to avoid fiber damaging because of the jittering from beam split device，black photographic paper is used to sample of facula.The result shows that the bestdelay time is 300 ms from changing the holophote position to laser output.This system can not only realize time-sharemultiplexing and dynamic spectral splitting，but also can satisfy the need of double-pass outputs. Furthermore，the system has a stronger expanding ability，and can provide the convenience for laser improvement and upgrade according to the laser processing condition in reality.

Nd∶YAG laser；double-pass；time-sharing control；beam split device

TN248.1

A

10.3788/CO.20130604.0529

1674-2915（2013）04-0529-07

2013-04-17；

2013-06-23

中央財政支持地方高校專項資金資助項目（激光先進制造創新培養基地）（No.510-C10293）；廣東省教育部產學研結合重點資助項目（No.2010A090200048）；廣東省教育廳學科建設專項資助項目（No. CXZD1139）