激光設(shè)備激光器功率控制系統(tǒng)控制方式要點(diǎn)實(shí)用教案

1、光機(jī)電應(yīng)用技術(shù)國家光機(jī)電應(yīng)用技術(shù)國家(guji)教學(xué)資教學(xué)資源庫源庫教學(xué)(jio xu)目標(biāo)：l了解激光設(shè)備激光器功率控制了解激光設(shè)備激光器功率控制(kngzh)方式方式第1頁/共22頁第一頁，共23頁。一、激光器功率控制(kngzh)方式激光器輸出功率控制是指通過一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)或裝置，能根據(jù)(gnj)加工需求來改變激光器輸出的功率或保持輸出功率的穩(wěn)定。第2頁/共22頁第二頁，共23頁。一、激光器功率控制(kngzh)方式激光器輸出功率控制(kngzh)可以有多種方法，如：1 1、調(diào)Q Q控制2 2、激光(jgung)(jgung)電源的激勵(lì)信號(hào)控制法第3頁/共22頁第三頁，共23頁。調(diào)Q

2、Q技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展，是激光發(fā)展史上的一個(gè)重大突破，它是將激光能量壓縮到寬度(kund)(kund)極窄的脈沖中發(fā)射，從而使光源的峰值功率可提高幾個(gè)數(shù)量級(jí)的一種技術(shù)。普通的脈沖激光器，光脈沖的寬度(kund)(kund)約在msms級(jí)，峰值功率也只有幾十KWKW。調(diào)Q Q激光器，光脈沖的寬度(kund)(kund)可以壓到nsns級(jí)，峰值功率也已達(dá)到MWMW。一、激光器功率控制(kngzh)方式調(diào)Q控制(kngzh)第4頁/共22頁第四頁，共23頁。調(diào)Q Q技術(shù)是在激光器的諧振腔內(nèi)加入了開關(guān)調(diào)制器件，使激光以高能量脈沖的方式(fngsh)(fngsh)輸出。調(diào)Q Q控制是對(duì)激光能量控制，同時(shí)也是

3、對(duì)激光脈沖峰值進(jìn)行控制。 轉(zhuǎn)鏡調(diào)轉(zhuǎn)鏡調(diào)Q電光調(diào)電光調(diào)Q聲光聲光(shn un)調(diào)調(diào)Q染料調(diào)染料調(diào)Q目前目前(mqin)調(diào)調(diào)Q技術(shù)技術(shù) 一、激光器功率控制方式調(diào)Q控制第5頁/共22頁第五頁，共23頁。二、調(diào)Q實(shí)現(xiàn)(shxin)方式（1）電光調(diào)Q:是利用(lyng)晶體的電光效應(yīng)作為Q開關(guān)的元件。第6頁/共22頁第六頁，共23頁。二、調(diào)Q實(shí)現(xiàn)(shxin)方式（1）電光調(diào)Q：利用晶體的電光效應(yīng)，在晶體上加一階躍式電壓，調(diào)節(jié)腔內(nèi)光子的發(fā)射損耗。開始工作時(shí)，晶體兩端加一電壓，由于晶體的偏振效應(yīng)，諧振腔的損耗很大，Q值低，激光器不振蕩，激光上能級(jí)不斷積累粒子數(shù)，Q開關(guān)(kigun)處于關(guān)閉狀態(tài)。某一特定

4、時(shí)刻，突然撤去晶體兩端電壓，諧振腔突變至損耗低，Q值高，Q開關(guān)(kigun)打開，形成巨脈沖激光。 第7頁/共22頁第七頁，共23頁。二、調(diào)Q實(shí)現(xiàn)(shxin)方式（1）電光調(diào)Q特點(diǎn)是：有較高的動(dòng)態(tài)損耗和插入損耗；開關(guān)(kigun)速度高，同步性能好。開關(guān)(kigun)時(shí)間可以達(dá)到10-9秒；輸出光脈沖寬度約為納秒級(jí)，峰值功率達(dá)到數(shù)兆瓦至數(shù)十兆瓦。第8頁/共22頁第八頁，共23頁。二、調(diào)Q實(shí)現(xiàn)(shxin)方式（2）聲光調(diào)Q:在激光諧振腔內(nèi)放置聲光偏轉(zhuǎn)器，當(dāng)光通過介質(zhì)中的超聲場時(shí)，由于(yuy)衍射造成光的偏折，就會(huì)增加損耗而改變腔內(nèi)的Q值。第9頁/共22頁第九頁，共23頁。二、調(diào)Q實(shí)現(xiàn)(sh

5、xin)方式（2）聲光調(diào)Q:聲光調(diào)Q器件由聲光互作用介質(zhì)（如熔融石英）和鍵合于其上的換能器所構(gòu)成。換能器將高頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為超聲波。在激光腔內(nèi)插入聲光調(diào)Q器件，可以產(chǎn)生很高的衍射損耗，此時(shí)腔內(nèi)具有很低的Q值，Q開關(guān)處于關(guān)閉狀態(tài)。當(dāng)激光高能級(jí)(nngj)積累大量粒子數(shù)時(shí)，撤除超聲波，衍射效應(yīng)即刻消失，損耗下降，Q開關(guān)打開，激光巨脈沖遂即形成。第10頁/共22頁第十頁，共23頁。二、調(diào)Q實(shí)現(xiàn)(shxin)方式（2）聲光調(diào)Q特點(diǎn)是：用于低增益的激光器，可獲得脈寬幾十納秒，功率幾百千瓦的高頻脈沖(michng)；對(duì)高能量激光器的開關(guān)性能差，不宜用高能調(diào)Q激光；多用于獲得中等功率、高重復(fù)頻率的脈沖(mich

6、ng)激光。第11頁/共22頁第十一頁，共23頁。二、調(diào)Q實(shí)現(xiàn)(shxin)方式（3）染料調(diào)Q:是在一個(gè)固體激光器的腔內(nèi)插入一個(gè)染料盒構(gòu)成的。染料盒內(nèi)裝有可飽和染料。這些染料媒質(zhì)具有突變的吸收飽和特點(diǎn)，當(dāng)波長處于其吸收峰附近且入射光信號(hào)較弱時(shí)，染料媒質(zhì)對(duì)于入射光呈現(xiàn)出非常明顯的吸收趨勢(shì)（相當(dāng)于處于“關(guān)閉”狀態(tài)）；當(dāng)入射光信號(hào)增強(qiáng)到一定程度時(shí)，染料媒質(zhì)對(duì)入射光突然(trn)呈現(xiàn)出明顯的吸收飽和趨勢(shì)（相當(dāng)于近似透明的“接通”狀態(tài)）。第12頁/共22頁第十二頁，共23頁。二、調(diào)Q實(shí)現(xiàn)(shxin)方式（3）染料調(diào)Q特點(diǎn)是：裝置簡單(jindn)、成本低；光化學(xué)穩(wěn)定性較差，調(diào)Q重復(fù)性精度不高。第13頁

7、/共22頁第十三頁，共23頁。二、調(diào)Q實(shí)現(xiàn)(shxin)方式（4）新的調(diào)Q技術(shù)：主動(dòng)(zhdng)調(diào)Q和被動(dòng)調(diào)Q相結(jié)合的主被動(dòng)雙調(diào)Q技術(shù)雙被動(dòng)調(diào)Q技術(shù)調(diào)Q鎖模技術(shù)第14頁/共22頁第十四頁，共23頁。三、激光器功率(gngl)控制方式激勵(lì)信號(hào)控制激光電源的激勵(lì)信號(hào)控制法：激勵(lì)信號(hào)可以(ky)是直流電壓或脈寬調(diào)制（PWM）信號(hào)。通過改變激光器輸出功率所對(duì)應(yīng)的控制信號(hào)以控制激光電源的輸出。PWM脈寬調(diào)制是靠改變脈沖寬度來控制輸出電壓，通過改變周期來控制其輸出頻率。這一方法也用在激光器的速度控制上。第15頁/共22頁第十五頁，共23頁。下圖為一激光器自動(dòng)功率控制系統(tǒng)原理框圖，此控制系統(tǒng)激勵(lì)信號(hào)為直流

8、電壓。整體電路形成一個(gè)閉合環(huán)路，通過負(fù)反饋機(jī)制(jzh)穩(wěn)定激光器的輸出功率。三、激光器功率控制(kngzh)方式激勵(lì)信號(hào)控制(kngzh)第16頁/共22頁第十六頁，共23頁。該控制電路由電壓比較器、電容充放電模塊、恒流源和反饋回路構(gòu)成。其工作原理是：電容充放電模塊根據(jù)比較器輸出電壓的高低循環(huán)跳變，來對(duì)電容進(jìn)行充放電，最終將其電壓值穩(wěn)定在某預(yù)設(shè)值，從而間接控制恒流源的輸入(shr)電壓，并進(jìn)一步控制激光器電流，恒流源直接驅(qū)動(dòng)激光器，它的輸入(shr)電壓和激光器驅(qū)動(dòng)電流成正比例關(guān)系。三、激光器功率控制方式激勵(lì)(jl)信號(hào)控制第17頁/共22頁第十七頁，共23頁。系統(tǒng)上電后，電壓比較器的正端設(shè)

9、定正電壓值VSET，負(fù)端電壓假設(shè)(jish)為0，則比較器輸出的低電平致使電容充放電模塊對(duì)電容充電，隨著電容電壓的緩慢上升，恒流源的驅(qū)動(dòng)電流不斷升高，激光器輸出光強(qiáng)不斷升高，PIN探測電流變大，從而導(dǎo)致反饋回路輸出電壓升高，直至高過比較器正端電壓VSET后，比較器輸出由低電平跳變?yōu)楦唠娖?，接著?zhí)行上述過程的反過程：電容放電、激光器功率減小，由此循環(huán)往復(fù)，最終穩(wěn)定激光器發(fā)光功率。三、激光器功率控制(kngzh)方式激勵(lì)信號(hào)控制(kngzh)第18頁/共22頁第十八頁，共23頁。光機(jī)電應(yīng)用光機(jī)電應(yīng)用(yngyng)技術(shù)國家教學(xué)技術(shù)國家教學(xué)資源庫資源庫總結(jié)(zngji)：激光功率控制方式(fngsh)有調(diào)Q控制法和激勵(lì)信號(hào)控制法等 。第19頁/共22頁第十九頁，共23頁。光機(jī)電應(yīng)用技術(shù)國家光機(jī)電應(yīng)用技術(shù)國家(guji)教學(xué)教學(xué)資源庫資源庫作業(yè)(zuy)：第20頁/共22頁第二十頁，共23頁。光機(jī)電應(yīng)用技術(shù)光機(jī)電應(yīng)用技術(shù)(jsh)國家教學(xué)資源國家教學(xué)資源庫庫本次本次(bn c)課到此結(jié)束，課到此結(jié)束，謝謝！謝謝！第21頁/共22頁第二十一頁，共23頁。謝謝您的觀看(gunkn)！第22頁/共22頁第二十二頁，共23頁。NoImage內(nèi)容(nirng)總結(jié)光機(jī)電應(yīng)用技術(shù)國家教學(xué)資源庫。輸出光脈沖寬度約為納秒級(jí)，峰值功率達(dá)到數(shù)兆瓦至數(shù)十兆瓦。聲光調(diào)Q器件由聲光互作用介質(zhì)（如熔融石英）和鍵合