射頻板條CO2激光器整形光路自適應調節研究

王 振，韓蒙蒙，彭 浩，唐霞輝*

(1.華中科技大學光學與電子信息學院 激光加工國家工程研究中心，武漢430074;2.武漢工程大學 電氣信息學院，武漢430071)

引 言

激光加工過程對激光器輸出功率和模式穩定性的要求越來越高，為提高射頻板條CO2激光器的整機性能，特別是保證其在高功率連續作業狀態下的穩定輸出精確激光功率和良好的光束模式，整形光路偏移補償調節控制系統成為整機必要組成部分［1-8］。而其中執行調節的機構主要有熱敏材料和壓電陶瓷等。

熱敏材料主要應用于腔鏡調節方法，該調節應用可以從根本上消除光路畸變，但是存在控制復雜、響應速度較慢等問題［9］。壓電陶瓷材料存在遲滯、蠕變特性，但因其控制簡單、微位移精度高、響應速度快而仍然在諸多領域有著應用［10-14］。

作者研究基于壓電陶瓷的轉折鏡自適應調節在射頻板條CO2激光器整形光路偏移補償中的應用，通過對壓電陶瓷的自適應控制實現對轉折鏡的角度調整，以解決激光器工作過程中的光路偏移問題，進而保證激光器在各個占空比下激光輸出功率的穩定和模式的穩定，提高激光器的整體穩定性。

1 整形光路偏移補償系統設計

1．1 總體系統結構

射頻板條CO2激光器整形光路偏移補償系統主要由整形光路、壓電陶瓷位移裝置、壓電陶瓷驅動電路和可編程邏輯控制器(programmable logic controller，PLC)構成。系統結構框圖如圖1所示。其中整形光路主要完成對從非穩波導腔輸出的光束整形;壓電陶瓷位移裝置和轉折鏡構成外光路的微調節以實現對光路偏移的補償;壓電陶瓷驅動電路完成對壓電陶瓷的控制，實現微位移的高精度控制;PLC用于激光器工作總體監控和向壓電陶瓷驅動器提供自適應控制信號;射頻(radio frequency，RF)電源用于提供電光轉換的電能。

Fig.1 Schematic of the compensation adjustment system at outside the optical path

1．2 外光路偏移補償裝置

外光路偏移補償裝置如圖2所示。轉折鏡基體的幾何形狀為圓柱體，與轉折鏡相連的為一個連桿，連桿有一安裝螺紋孔，用于安裝壓電陶瓷位移器。為簡化壓電陶瓷微位移器的控制過程，本系統中不使用壓電陶瓷材料的收縮功能，為實現轉折鏡順時針和逆時針兩個方向的轉動，采取在連桿另一側放置彈簧裝置，當壓電陶瓷加載電壓變小或者沒有加載電壓時，壓電陶瓷微位移器不對外輸出位移，轉折鏡在彈簧彈力的作用下將沿逆時針轉動。俯視圖中箭頭1方向為壓電陶瓷伸長方向，箭頭2指向的方向為轉折鏡轉動的方向。

Fig.2 Schematic of the turning mirror device

2 壓電陶瓷驅動電路設計和仿真

2．1 驅動電路原理設計

依據需要調節的位移范圍選擇PA100/T14壓電陶瓷作為外光路偏移補償中執行機構，其工作電壓范圍為-10V～130V。其中-10V～0V用于對壓電陶瓷輸出位移調零，因實際裝置調準中已補償了不加電情況下的輸出位移，所以這一段不予考慮。本系統采用單片高壓功率運算放大器作為壓電陶瓷驅動電路，其原理圖如圖3所示。

Fig.3 Circuit schematic of piezoelectric ceramics actuator

使用PA240高壓運放主要基于如下兩點考慮:(1)滿足壓擺率R。因為PA100T14最大工作電壓為130V，工作頻率最大為4000Hz，所以依據R=2πfV可得其所需R=3.3V/μs其中，f是工作頻率，V為電壓源的范圍;(2)滿足最大輸出電流Imax。當PA100/T14的等效電容為65μF時，依據Imax=πfVC計算得到所需最大輸出電流為107mA，其中，C為等效電容。原理圖中R5，R6阻值的確定基于PLC輸入控制信號幅值范圍0V～5V和壓電陶瓷驅動電壓范圍0V～100V，通過下式得到:

式中，Vout為壓電陶瓷驅動電壓，Vin為PLC輸入檢測信號電壓。當驅動電路的放大倍數為20時，則R5與R6的比值為20，選取R5=300kΩ，R6=15kΩ。同時根據前述計算壓擺率R=3.3V/μs，由PA240的數據手冊中壓電陶瓷R(轉換速率)和補償電容關系曲線，如圖4所示，可以選擇補償電容C6大約為60pF。C7為高頻分量和射頻輻射干擾提供低阻抗回路，使驅動電路具有較強的抗干擾能力，同時圖3中的V8和V9為保護二極管以防止輸入端出現輸入差分信號過高情況。

Fig.4 Relation ship between R and compensation capacitor

2．2 驅動電路模擬仿真

因壓電陶瓷驅動電路的控制信號為一定范圍內的連續可調非周期模擬信號，所以放大電路的放大倍數和線性度是壓電陶瓷驅動電路兩個非常重要的指標。

首先采用MULTISIM 10軟件對壓電陶瓷驅動電路進行模擬仿真，當給驅動電路提供一個振幅1V、頻率50Hz的正弦波，測得驅動電路的響應情況如圖5所示。圖5中上方曲線波形為壓電陶瓷驅動電路輸出端的波形，下方為輸入端波形;驅動電路只對輸入正弦波的正半周期進行了放大，對負半周期不起作用。圖5中每個單位長度為20V，輸出波形的幅值為20V且沒有任何失真現象發生。

Fig.5 Simulation results from the sine wave(1V，50Hz)excitation source

當驅動電路輸入端為0V～5V，在每隔0.5V取一個電壓值，用Multisim中的虛擬示波器測量壓電陶瓷驅動電路輸出端的電壓，對所得數值用MATLAB進行繪制其函數曲線，獲得線性擬合后的直線與理論公式直線的比較曲線，如圖6所示。

Fig.6 Theory and measurement curves of the voltage of piezoelectric ceramics actuator vs.input voltage

從圖6可知，壓電陶瓷驅動電路實際放大倍數為21.1，略高于設計放大倍數20。所以PLC在對壓電陶瓷驅動電路提供自適應控制信號時，應按照實際放大倍數21.1給驅動電路加載相應的信號。驅動電路實物圖如圖7所示。

Fig.7 Real photos of a piezoelectric ceramics actuator

2．3 壓電陶瓷控制精度分析

影響光路補償系統控制精度的主要因素是壓電陶瓷微位移裝置的遲滯、蠕變效應。同時決定系統自適應控制方法的主要因素是射頻板條CO2激光器射頻電源注入功率與激光器激光功率遞增規律的關系。

2.3.1 壓電陶瓷的遲滯、蠕變誤差 遲滯效應和蠕變效應是壓電陶瓷的固有屬性，不能采取人為的方法使其消除，只能通過分析其變化的數學模型，改善控制算法的方法進行彌補［15-16］。遲滯效應的最大誤差約為輸出位移的10%，以本系統為例，要求的最大輸出位移約為50μm，對應遲滯效應造成的最大誤差為10%，即5μm。而射頻板條CO2激光器光束整形系統中空間濾波器的寬度為0.9mm。則若由于壓電陶瓷微位移器的遲滯效應使定位精度發生5μm的誤差，該誤差導致準高斯光束的主瓣向一側偏移5μm，該距離是主瓣寬度的1/180，當系統所用射頻板條CO2激光器的最高輸出功率為2kW時，5μm偏移造成的功率損耗應小于10W，所以可以忽略不計，且對激光光束模式的影響也在可以接受的范圍內。而壓電陶瓷微位移器的蠕變效應造成的位移誤差一般為輸出位移的1%到2%，小于遲滯效應造成的誤差，所以同樣在此不予考慮。

2.3.2 激光輸出功率的變化規律 該規律是作為自適應控制的重要依據。根據射頻板條CO2激光器標準測試數據，在工作氣體氣壓為16kPa時，射頻板條CO2激光器在射頻注入功率占空比為10%，20%，30%，40%，50%，60%，70%，80%情況下對應的激光輸出功率分別為232W，506W，722W，915W，1108W，1289W，1424W，1650W。采用MATLAB軟件利用多項式擬合的方法，以射頻板條CO2激光器注入射頻功率的占空比為橫軸(x軸)，以激光器輸出功率為縱軸(y軸)，進行曲線擬合得到注入功率占空比與輸出功率之間的關系曲線，如圖8所示。由圖8可知，激光器輸出最高功率為2055W與實際設計參量相符。曲線擬合所得直線的斜率為k=1.9536×103，曲線擬合所得直線與y軸的交點為(0，101.6)，直線表達式為:

Fig.8 Relationship between laser power and duty cycle

依據(2)式可知，PLC輸出的占空比信號與激光器輸出功率成近似線性關系。

2.3.3 壓電陶瓷驅動電路中自適應控制信號 所謂壓電陶瓷驅動電路自適應控制信號是指在設定某一個射頻功率注入占空比時，系統能據此自動調節轉折鏡消除光路偏移獲得該占空比下最佳輸出激光功率和激光模式輸出。所以要得到自適應控制信號，就需要先獲得壓電陶瓷驅動電路輸入控制信號與射頻功率注入占空比的函數關系。該關系通過實測獲得，即在占空比范圍為10% ～80%之間，每隔10個數取一個占空比值。并在該占空比值下，給壓電陶瓷驅動電路提供0V～5V連續可調的模擬電壓，記錄激光器輸出功率達到最大時對應的驅動信號電壓。通過MATLAB進行曲線擬合最終得到自適應控制信號和占空比的函數關系，如圖 9所示，其為線性關系，直線斜率為1.3713。由該曲線可得，自適應控制信號的范圍為(-0.1050V，1.266V)?？紤]實際使用的占空比范圍一般在10%以上，又為保證激光器的安全使用，其最高功率占空比一般在90%以下，所以最終自適應控制信號的范圍為(0.03217V，1.129V)，且其控制信號按照下式所示直線方程與占空比形成對應關系:y=1．3713x-0．1050 (3)

Fig.9 Relationship between adaptive control signals and duty cycle

3 系統實驗

為驗證本系統的穩定性以及對激光器輸出功率貢獻進行了兩個實驗。

3．1 轉折鏡調節量結果驗證

在90%激光功率占空比下對轉折鏡進行滿量程調節，調節電壓間隔為0.1V，總調節電壓為1.12V，記錄在每一調節距離下激光器的輸出功率，與90%占空比下激光器的標準功率參量進行比較，判斷光路偏移補償系統的調節效果。實驗中所得數據如表1所示。

由表1中實驗數據可知，當壓電陶瓷控制電壓達到0.9V時，激光器輸出最高功率為1.843kW，該功率與對應的標準激光功率1811kW接近;當電壓超過0.9V后，激光器的輸出功率開始減小，這說明調節距離超出了需要調節的范圍，使得外光路重新偏移標準位置。因此該裝置可滿足激光器在占空比為90%下的調節需求，同理也可滿足各占空比的調節需求。

Table 1 Validation tests data for the adjusting range

3．2 不同占空比下系統自適應調節效果測試

選定 5%，15%，25%，35%，45%，55%，65%，75%共8個實驗點，分別測量不加入外光路自適應調節和加入時的激光器輸出功率。

圖10為前后輸出功率的比較，由圖10可知，在低占空比下，外光路自適應調節系統對激光器輸出功率的貢獻并不明顯，當占空比超過50%后，調節系統的作用越來越明顯，最大功率差約為100W。

Fig.10 Laser output power at different duty cycles before and after adjustment

3．3 長時間運行下系統自適應調節效果測試

Fig.11 Time-dependant laser output power of before and after adjustment

在注入射頻功率不變的情況下，忽略放電氣量衰減和冷卻水流量波動等因素導致輸出激光功率的波動，只考慮因長時間運行由熱腔鏡產生功率變化導致輸出激光功率的衰減和外光路偏移補償等因素。圖11是功率隨時間變化的曲線圖。從圖中可看出，在運行2h的狀態下，在占空比為90%不變時，無自適應調節器的激光輸出功率最后衰減10%，并有繼續增加的趨勢，而添加自適應調節器的激光輸出功率基本維持在2%的波動范圍內，說明調節效果明顯。

4 結論

(1)在研究射頻板條CO2激光器整形光路偏移補償基礎上，設計了基于壓電陶瓷的偏移補償裝置，并據此設計了壓電陶瓷的驅動電路。仿真結果表明，該電路具有較好的信號放大特性且失真度小，設計放大倍數與實際放大倍數之間誤差為5.5%。

(2)分析了可能影響壓電陶瓷控制精度的各種情況。對于壓電陶瓷固有的遲滯、蠕變效應，因在本實驗系統中導致的誤差小于0.5%，故被忽略。通過對射頻注入占空比、壓電陶瓷驅動信號和激光輸出功率三者關系的實測和數據擬合得到相關線性表達式，并據此實現外光路自適應調節，獲得在各點占空比下較高的激光功率輸出。

(3)通過對轉折鏡調節量的實驗證明，經過壓電陶瓷的微位移調整，可獲得最高激光輸出功率，且大于標準參考功率。通過不同占空比下自適應調節前后的激光輸出功率對比，最大補償功率接近100W。同時在固定注入射頻功率下運行2h進行對比，在裝有自適應調節器的情況下，能有效補償因熱畸變導致的外光路偏移，使激光輸出功波動小于2%。

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