脉冲激光器瞬态功率检测系统的设计研究.pdf
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1、61现 代 工 程 科 技Modern Engineering Technology第 2 卷第 7 期2023 年 4 月Vol.2 No.7Apr.2023脉冲激光器瞬态功率检测系统的设计研究姚雨旸(南京信息工程大学电子与信息工程学院,江苏南京 210044)摘 要:提出了一种新的脉冲激光器瞬态功率检测系统的设计方法,该系统采用嵌入式ZYNQ SoC(System-on-Chip)架构和高速模数采样技术,通过向脉冲激光器外触发接口发送特定时序的触发信号,同时利用光电检测电路采集激光器输出的光脉冲波形,对每个出光窗口期间光脉冲功率进行监测,发现光脉冲瞬态功率异常立即告警,从而实现了对脉冲激光
2、器瞬态功率的实时检测功能。关键词:脉冲激光器;Q 开关;瞬态功率检测;特定时序脉冲中图分类号:TN248 文献标志码:ADesign of Transient Power Detection System for Pulsed LaserYao Yuyang(School of Electronics and Information Engineering,Nanjing University of Information Science and Technology,Nanjing,Jiangsu 210044)Abstract:In this paper,a new design meth
3、od of pulse laser transient power detection system is proposed.The system adopts embedded ZYNQ SoC(System-on-Chip)architecture and high-speed analog-digital sampling technology.It sends trigger signals of specific timing to the external trigger interface of the pulse laser,and uses photoelectric det
4、ection circuit to collect the laser output optical pulse waveform,and monitors the optical pulse power during each output window.If the abnormal transient power of the optical pulse is found,the alarm will be given immediately,thus realizing the real-time detection function of the transient power of
5、 the pulse laser.Keywords:pulsed laser;Q switch;transient power detection;specific timing pulse作者简介:姚雨旸(2002),男,本科,南京信息工程大学电子与信息工程学院,研究方向为信息传输与控制。脉冲激光器是一种以脉冲方式发射光能量的激光发射装置。与连续激光器相比,脉冲激光器具有功率大、效率高、稳定可靠等优点,在半导体制造、精密加工、医疗、通信等领域有着广泛的应用。在脉冲激光器中Q开关是一个关键器件,该器件通过控制激光射线在腔体内的衍射损耗,将连续输入的激光射线转化为能量可控的脉冲激光输出。当Q开关
6、关闭时激光器处于能量积累阶段,没有激光能量输出;当Q开关打开时激光器快速释放所积累的能量,输出脉宽窄、能量高的激光射线。在激光器应用领域,人们通常采用光功率计对脉冲激光器输出的光功率进行测量,通过监测一段时间内光功率值变化值来判断该激光器输出功率的稳定度。但此方法检测的是激光器输出的平均功率,无法测量激光器输出的单脉冲瞬态功率值。对脉冲激光器瞬态功率的检测十分必要,例如当脉冲激光器长时间处于关闭状态后突然打开Q开关时,由于激光器腔体内积累的能量较多,此刻输出的第一个光脉冲能量非常高,远高于其他时刻输出的光功率。若激光器对此现象不加抑制,在进行精密加工时会在加工起始点处出现一个明显的圆点,这种现
7、象被称为“火柴头效应”,会降低产品的合格率。为此通常在Q开关驱动器中增加首脉冲抑制功能,通过电路控制方法降低第一个脉冲的峰值功率。此外,脉冲激光器的输出功率还受到其他条件影响,若这些工作参数配置不合适,激光器的工作状态也会不稳定,从而出现激光器瞬态功率异常波动的现象2。近年来随着微电子技术的迅猛发展,高性能的FPGA以及高速A/D、D/A芯片层出不穷。针对脉冲激光器瞬态功率检测的需求,本文提出了一种基于ZYNQ SoC和高速A/D芯片的脉冲激光器瞬态功率检测设计 方法。1 系统实现1.1 系统结构本系统主要由嵌入式ZYNQ SoC子系统和光电探测及高速A/D采集子系统组成,系统结构如图1所示。
8、嵌入式ZYNQ SoC子系统包括ZYNQ-7000系列的62现 代 工 程 科 技2023 年 4 月第 2 卷第 7 期XC7Z035、DDR3动态存储器、QSPI Flash存储器、电容触摸显示屏、时钟电路以及电源电路等;光电探测及高速A/D采集子系统包括外置的FPD-UV-3000快速光电探测器、信号调理电路、高速A/D采集电路等。作为系统的核心器件,ZYNQ是Xilinx公司推出的一系列将FPGA和ARM处理器集成在同一个芯片中的SoC(System on Chip)芯片。ZYNQ内部由PS(Processing System)和PL(Programmable Logic)构成,PS与
9、PL之间通过高速的AXI总线实现数据交互。其中PS由双核ARM Cortex-A9和一组可配置的接口资源组成,工作主频为766MHz,可以运行嵌入式Linux操作系统;PL部分实际上是Xilinx公司K7系列的FPGA,设计者可以使用Verilog等硬件编程语言灵活实现各种外部逻辑控制功能。由ZYNQ SoC组成的嵌入式系统还包括用于程序运行的512MB DDR内存芯片、用于存储程序的32MB QSPI Flash芯片等。此外,本系统还利用PL一侧FPGA资源驱动RGB总线接口的LCD显示屏,利用PS一侧的I2C总线实现触摸屏逻辑控制,为系统提供人机交互功能。本系统通过PL一侧的FPGA程序实
10、现特定时序的脉冲输出,该输出与脉冲激光器的外触发接口相连,用于控制激光器按照特定时序输出功率可控的光脉冲。激光器的输出射线经过积分球或其他光学衰减器投影至光电探测器FPD-UV-3000;FPD-UV-3000输出的光电信号经射频线缆接入本系统的信号调理电路中;在信号调理电路中光电信号经跨阻放大和低噪声放大后输出至高速A/D采样电路,高速A/D采样电路将模拟信号转换为数字信号输入至ZYNQ的FPGA中进行处理和分析。图1 脉冲激光器瞬态功率检测系统结构1.2 控制激光器输出功率的方法根据声光效应原理当给激光器Q开关输入足够强功率的射频信号时,声光晶体会将电信号转换为超声波信号,激光在通过此声光
11、晶体的超声场时发生衍射,使光束偏离出谐振腔,造成谐振腔的损耗增加,Q值下降,激光器无法输出光脉冲;在施加射频信号期间YAG棒仍然受到泵浦光源的照射积累了大量的能量;当突然撤除射频信号时,衍射效应立即消失,Q值瞬间升高,激光能量以脉冲方式输出。这样给Q开关施加一系列射频脉冲群,以某种重复频率周期性地关闭和输出Q开关,就可以得到峰值能量高、脉宽窄的激光脉冲,此种控制方式称为调Q技术。声光Q开关输入的射频工作频率通常为27100MHz,重复频率在几kHz至几百kHz之间,能够形成脉宽从微秒量级到纳秒量级的脉冲。如图2所示,脉冲激光器对Q开关的控制通常具有三种工作模式:连续波输出模式、内触发模式和外触
12、发模式。连续波模式就是连续向Q开关输出射频信号,并根据射频信号的幅度控制激光器输出功率,此方法实际上是将激光器设置为连续激光器模式;内触发模式是通过配置激光器自身的重复频率和出光窗口等参数,将激光器配置在脉冲激光器输出模式;外触发模式是指激光器射频输出受外部触发接口控制,该模式适用于需要经常改变激光器的重复频率和出光窗口,快速调整激光器输出功率的情况。从采集到的波形可以看出,在Q开关上施加的脉冲时间越长,撤除射频后的出光窗口期间光脉冲峰值越高;相反,脉冲重复频率越高激光器输出功率值越低,在相同重复频率下出光窗口越小激光器输出功率越高。图2 脉冲激光器驱动Q开关的三种工作模式而实际工作中脉冲激光
13、器瞬态功率输出的常见故障现象有三种,如图3所示。(1)首脉冲抑制故障,即当激光器长时间处于关闭状态后突然开启时第一个激光脉冲峰值功率比后续脉冲大很多。(2)固定重复频率下单脉冲功率异常,通常是激光器的倍频晶体或激光二极管等器件的温度出现漂移,影响激光器输出功率的稳定。RF signal in CW modeLaser output waveform in CW modeRF signal in Internal modeLaser output waveform in Internal modeTrigger signal in External modeRF signal in Extern
14、al modeLaser output waveform in External modeRF WindowRepetition RateLower peakHigher peak6363信息与电子工程科技姚雨旸:脉冲激光器瞬态功率检测系统的设计研究(3)不规则外部触发频率下单脉冲异常。本系统针对上述三种故障现象通过ZYNQ PL向激光器外触发接口发送特定时序脉冲的方法对其输出功率进行测试。如图4所示,特定时序测试脉冲分三种类型:突发性测试脉冲、固定重复频率测试脉冲和随机重复频率测试脉冲。图3 激光器瞬态功率的三种异常脉冲波形图4 特定时序测试脉冲1.3 光电探测及信号调理电路本系统所选用的光
15、电传感器是OPHIR公司快速光电探测器FPD-UV-3000,该探测器内部集成UV硅光电二极管,探测光谱范围是1931100nm。FPD-UV-3000输出的光电流信号较弱,需要通过信号调理电路进行阻抗匹配和信号放大,以满足后面高速A/D电路的需求7。FPD-UV-3000的响应时间小于3ns,可以对大多数纳秒激光器输出脉冲进行测量。输入直流24V电源为光电二极管提供反向偏置电压,电信号输出接口采用BNC插座,单端输出阻抗50。如图5所示,在信号调理电路中,光电信号首先经过U1进行跨阻放大,其作用是将电流信号转换为电压信号。跨阻放大器选用TI公司的OPA657,其高增益带宽达1.6GHz,低输
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