基于FPGA的脉冲光纤激光器功率控制系统设计

摘要 对应用于激光打标中脉冲光纤激光器的控制系统进行了研究，根据其组成原理与工作原理，设计了以FPGA芯片为核心的控制系统。实现了在打标过程中对脉冲光纤激光器出光的时序控制、输出功率控制及声光调制器(AOM)驱动控制等功能。实验结果表明，该系统具有结构精简、集成度高、处理速度快，实现了对激光打标机的实时准确的控制。
关键词 FPGA；脉冲光纤激光器；功率控制；AOM

    脉冲光纤激光器因具有优异的光束质量、较高的功率和功率密度、易冷却、高稳定性和可靠性等多方面优点，使其在激光打标、印刷、微机械加工、选择性切割、焊接、医疗、光信息处理等领域具有广阔的应用前景。激光打标是利用激光在需要进行标记的工件表面刻蚀出具有一定深度或颜色的文字或图案等，从而在工件的表面留下永久性标记。作为一种现代精密加工方法，与腐蚀、电火花加工、机械雕刻、印刷等传统的加工方法相比，激光打标具有较大的优势，现已广泛应用于集成电路芯片、金属名片、电子及通讯产品、食品包装等众多领域的图形和文字标记。
    该设计以单片的FPGA芯片为核心，利用其出色的逻辑事物处理能力，替代单片机控制器完成部分功能，减轻单片机的负担；利用其快速的并行处理功能，可以同时处理多个控制指令，提高整个控制系统的响应速度。同时将一些外围数字电路集成在一起，可以使一些分离的元器件整合，以提高系统的可靠性。

1 脉冲光纤激光器的结构与工作原理
    光纤激光器根据是否在其谐振腔中加入调Q开关以及锁模器件，将其分为脉冲光纤激光器和连续光纤激光器。由于在脉冲光纤激光器的谐振腔内加入了开关调制器件，所以其输出的激光以高能量脉冲的方式输出，而连续光纤激光器则以连续的方式输出。

    图1为声光调Q脉冲光纤激光器结构图。该结构与其他激光器的结构基本相同，由能产生光子的增益介质，使光子得到反馈，并在增益介质中进行谐振放大的谐振腔和激励光跃迁的泵浦源即半导体激光器(LD)。其中谐振腔是由高反光栅(HR)和低反光栅(LR)构成的正反馈机制组成。为实现脉冲式的激光输出，在谐振腔内加入了声光调制器(AOM)器件作为调Q开关，通过周期性改变谐振腔损耗，实现调Q激光脉冲输出。声光调制器由对激光波长透明的声光介质及换能器组成。常用的声光介质有熔融的石英、重火石玻璃等。换能器是将高频电信号转换为超声波。声光调Q器件置于激光器谐振腔中，当超声波在声光介质中传播时，介质会产生与超声波信号相应的、随时间和空间周期变化的弹性形变，从而导致介质折射率周期性变化，形成“相位光栅”。激光在超声场作用下发生衍射，由于一级衍射光偏离谐振腔而导致损耗增加，使激光振荡难以形成，高能级大量积累反转粒子。某一时刻突然撤去超声场，衍射效应消失，谐振腔损耗下降，激光脉冲形成。尽管利用调Q技术能够获得相对高的能量脉冲输出，但在实际工业打标中其输出的能量还是不足的。为进一步提高脉冲光纤激光器输出的功率，在其输出端增加了光纤功率放大级，即采用主振荡功率放大结构即MOPA结构，如图1所示。其突出特点是：主振荡级主要是产生光束质量较好的种子光，并通过光纤耦合器传输到功率放大级；功率放大级主要对主振荡级输出的种子光利用双包层光纤放大技术对其进行功率放大；实现了在保证输出优异光束质量的同时又产生了高能量、高功率的脉冲输出。

2 控制系统总体设计
    控制系统设计思路：为实现脉冲光纤激光器能够实时、高效地控制，并使该系统具有一定的通用性和扩展性功能。为此，采用以单片FPGA芯片为核心实现整个系统硬件设计，系统的原理框图如图2所示。

    控制原理或过程：首先通过上位机打标软件，设置脉冲光纤激光器的基本参数，例如输出平均功率、声光调制器(AOM)的重复频率及打标方式等。经过数据处理后，通过并口传输给该控制系统。当FPGA检测到上位机发出的控制指令时，首先初始化其内部的功能模块，然后由各功能模块产生控制信号来有序地控制脉冲光纤激光器正常工作。

3 功能模块设计
    系统绝大部分的控制功能都是在FPGA中实现。文中采用Alter公司生产的Cyclone系列FPGA，选用型号为EP1C3T100。该款芯片共有2 910个逻辑单元、13个M4K的存储模块、1个锁相环和65个可自定义I／O脚。
3．1 声光调制器(AOM)驱动控制模块
    当上位机打标软件设定声光调制器的重复频率为20～200 kHz时，经过上位机控制板卡数据处理后，产生与设定频率相同的周期方波信号并加载到该控制系统中。当系统检测到方波信号的上升沿到来时，将产生与该信号同步的窄脉冲信号，脉冲宽度根据重复输入频率的值在0．1～1μs之间变化。
    实现原理：(1)利用FPGA精确的定时能力设计一数字频率计，对上位机输出的方波信号进行频率检测，当检测出被测信号的频率后，利用FPGA精确的延迟技术，实现脉冲宽度可调的同步信号。如图3所示，为测频法的基本原理。在确定的闸门时间Tw内，记录被测信号的变化周期数或脉冲个数Nx，则被测信号的频率为Fx=Nx／Tw，当闸门的时间Tw为1 s时，测被测脉冲个数Nx就为被测信号的频率。

    (2)该功能模块在FPGA内部组成原理如图4所示。被测信号的频率输入范围为20～200 kHz，基准时钟为FPGA的时钟频率100 MHz。因为基准时钟的频率为100 MHz并远大于被测信号的频率，所以以被测信号的一个周期作为闸门时间即T1=10 ns，在T1内对100 MHz的基准时钟进行计数，被测周期的个数为N1，则被测信号的周期Tw=T1·N1。FPGA根据被测信号的频率，产生与其对应的同步脉冲信号，并加载到声光调制器的输入端。

    (3)实验结果如图5所示，在不同的输入频率下示波器显示的输出波形。图5(a)为在输入重复频率为200 kHz，输出同步脉冲宽度为700 ns。图5(b)为输入重复频率为58．8 kHz，输出同步脉冲宽度为800 ns。从实验结果可以看出，利用FPGA可以成功地实现随输入频率的不同，而产生不同的同步脉冲信号，实现了设计要求。

3．2 状态机模块
    在整个控制系统中存在大量的时序关系，为实现对时序高效、可靠的逻辑控制，采用有限状态机的方怯来实现。有限状态机有两种基本类型：米利(Mealy)机和摩尔(Moore)机，米利机的下一状态和输出取决于当前状态和当前输入；摩尔机的下一状态取决于当前的状态和当前的输入，但其输出仅取决于当前状态。这两类有限状态机的下一状态和输出都是由组合逻辑电路形成，其原理框图如图6所示。

    FPGA根据状态机的不同状态，有序地实现相应的功能控制，例如对激光器电源加电的软启动控制、平均输出光功率的反馈控制、半导体激光器的开启与关断时间控制和数据处理与显示等功能。如图7中(a)所示为半导体激光器由上电软启动过程，首先由0电压逐渐上升到工作电压值，最后以脉冲输出电压的方式控制半导体激光器的工作状态。图7(b)所示为利用状态机实现的部分时序控制仿真图。图中输入信号pin19 _1为脉冲光纤激光器的出光和不出光控制信号，当pin19_1为高电平时，经过FPGA数据处理后，将产生3路控制信号mo、pa1、pa2，分别用于控制主振荡级半导体激光器LD1和功率放大级的半导体激光器LD2及LD3开启与关断状态。

3．3 功率控制模块
    对脉冲光纤激光器输出平均功率的控制，采用模糊控制方法来保证输出功率的稳定性。模糊控制系统是一种自动控制系统。其优点是：其不依赖于精确的数学模型；并具有数学控制的精确性和软件编程的灵活性。由模糊控制理论可知，模糊控制系统所用的模糊控制器维数越高，系统的控制精度就越高。但是维数选择越高，模糊控制规律就越复杂，基于模糊合成推理的控制算法的计算机实现就更困难。在权衡
了该系统的设计要求与实现复杂度两方面因素后，采用双输入单输出的二维模糊控制器设计。

    如图8所示为功率控制组成原理，首先由光电探测器将光纤激光器输出的微弱光信号转换为电信号，通过放大滤波后转换为容易被处理的模拟电信号。将该信号通过A／D转换为可以被FPGA处理的数字信号，同时将其存入到寄存器中进行缓存处理。对存入到缓存中的数据，一是用来与预先设定的功率值进行比较产生误差值E；二是当下一个时钟上升沿到来时，通过加减法器把前后两次测量结果相减得到误差值EC。根据获得的误差值E和误差的变化EC，对存储在只读存储器ROM中的模糊控制规则表进行数据查询，并将获得的数据通过D／A转换为模拟量来控制半导体激光器输出电流的大小，从而控制脉冲光纤激光器输出平均功率的大小。

    图9(a)所示为模糊控制仿真功能图，图中mo_feedback为种子源功率反馈值，当其反馈值小于设定值150时，说明反馈值减小，此时FPGA根据设定模糊控制规则，会使种子源的输出mo_out值增大。图9(b)为在FPGA模糊控制下的D／A转换模拟量输出，其输出电压值将控制LD输出电流的大小。在工作正常时，D／A输出模拟电压值稳定在约3 V，当光电探测器探测的光功率反馈值大于设定功率值时，FPGA通过查找存储在ROM中的模糊控制表来减小输出的模拟电压，最后使输出模拟电压约稳定在0．5 V，此时使设定的功率值与实际测量的功率值相等。

4 结束语
    根据脉冲光纤激光器在激光打标中的工作原理，设计了以FPGA芯片为核心的功率控制系统。实验结果表明，该系统实现了各功能模块设计，并具有处理速度快、安全系数高等特点。能够满足光纤激光打标机的指标要求。同时为使该系统得到进一步的推广应用，还需要对功率控制算法进行完善，使其输出的功率更加稳定。