激光器脉冲同步控制装置

技术领域

本发明涉及飞秒激光器脉冲控制技术领域，尤其涉及一种激光器脉冲同步控制装置。

背景技术

在脆性加工领域，激光器单脉冲能量在几百微焦、选单频率在几百KHz脉冲光已经有广泛的应用。且随着技术水平的提高，一些特殊脆性材料需要更大能量的单根脉冲光束才能起到很好的切割效果，目前获取更大能量脉冲光束的普遍做法为降低种子光选单频率，而后再将光进行大即可在一定范围内提高单簇光功率。

目前在选单过程中，往往采用机台信号与激光器信号进行配准的方式来实现选单，但在内部产生的较低(50KHz-500KHz)选单频率时，采用现有信号配准方式中机台与激光器信号之间的配合难度较大，如果使用按需脉冲输出(POD)的方式，因为内部的时钟与外部时钟不同步，在加工频率与内部频率接近时，容易产生漏点问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：现有激光器选单方式，使得机台与激光器之间的配合难度变大，且采用按需脉冲输出方式，内部的时钟与外部时钟不同步，在加工频率与内部频率接近时，容易产生漏点。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种激光器脉冲同步控制装置，其特征在于，包括：

种子采样电路，用于基于所述种子激光转获取种子采样信号，并将所述种子采样信号传输给时序电路，以为时序电路提供时序基准；

时序电路，用于基于种子采样电路和初级筛选信号生成1级包络信号，并将所述1级包络信号传输给所述1级AOM驱动电路，以使得1级AOM驱动电路驱动1级AOM声光晶体对激光脉冲进行初级筛选，且用于基于所述种子采样信号和开光控制信号生成2级开关信号，并将所述2级开关信号传输给所述2级AOM驱动电路，以使得2级AOM驱动电路驱动2级AOM声光晶体控制初级筛选后的激光脉冲的输出，并实现对初级筛选后的激光脉冲进行二次筛选；

AOM驱动电路，用于基于1级包络信号对1级AOM声光晶体的开关进行控制，以实现对激光脉冲进行初级筛选，且用于基于2级开关信号对2级AOM声光晶体的开关进行控制，以实现对初级筛选后的激光脉冲的输出进行控制，并实现对初级筛选后的激光脉冲进行二次筛选；

机床控制板卡，用于为所述时序电路提供同步信号和开光控制信号。

优选地，所述激光器脉冲同步控制装置还包括检测采样电路，所述检测采样电路用于基于初级筛选后的激光脉冲获取初级采样信号，并将所述初级采样信号传输给时序电路，以为所述时序电路提供激光是否正确输出的判断基准；

所述时序电路还用于基于所述初级采样信号判断初级筛选后的激光脉冲是否为正确输出，若是则控制所述激光脉冲输出，否则控制结束所述激光脉冲输出。

优选地，所述种子采样电路和所述检测采样电路均包括依次连接的分束器、光电二极管和放大器。

优选地，当所述时序电路基于同步信号进行初级筛选时：

所述时序电路接收到机床控制板卡提供的同步信号，基于所述种子采样信号和所述同步信号向1级AOM驱动电路输出1级包络信号，以使得1级AOM驱动电路驱动1级AOM声光晶体筛选出的激光脉冲的相位和频率均与同步信号相同，该种初级筛选方式下所述初级筛选信号包括所述同步信号。

优选地，所述同步信号与所述开光控制信号的上升沿相位差为预设值，以使得初级筛选后的激光脉冲与所述开光控制信号之间具有相同相位。

优选地，当所述时序电路基于单一外控方式进行初级筛选时：

所述时序电路基于种子采样信号以及设定的重复频率向1级AOM驱动电路输出1级包络信号，以使得1级AOM驱动电路驱动1级AOM声光晶体输出特定相位和频率的激光脉冲；且每次接收到开光控制信号的上升沿时，所述时序电路的计数器均会重新置零，该种初级筛选方式下所述初级筛选信号包括所述设定的重复频率。

优选地，所述时序电路包括相连的FPGA单元和高速DAC单元，所述1级包络信号由所述高速DAC单元输出，所述2级开关信号由FPGA单元输出。

优选地，所述FPGA单元包括FPGA以及与所述FPGA分别连接信号输出电路以及至少一组信号输入电路；

当所述时序电路基于同步信号进行初级筛选时，所述同步信号通过一组信号输入电路输入至FPGA，所述开光控制信号通过另一组信号输入电路输入至FPGA；

当所述时序电路基于单一外控方式进行初级筛选时，所述开光控制信号通过一组信号输入电路输入至FPGA；

所述FPGA基于所述信号输出电路向所述2级AOM驱动电路输出2级开关信号。

优选地，所述高速DAC单元包括运算放大电路和与所述运算放大电路输出端连接的高速DAC。

优选地，所述激光器脉冲同步控制装置还包括上位机，所述上位机与所述时序电路通过RS232通信连接，以用于为所述时序电路提供设定的重复频率。

与现有技术相比，上述方案中的一个或多个实施例可以具有如下优点或有益效果：

应用本发明实施例提供的激光器脉冲同步控制装置，设定同步信号与开光控制信号的上升沿相位差为预设值，以机床控制板卡输出的同步信号为基准，在1级AOM声光晶体分频时根据同步信号实时调整1级分频相位，以解决激光器内部选单与外部控制信号的相位差的问题；且通过机床控制板卡向时序电路发送同步信号和开光控制信号，实现将激光器信号与机床控制板卡信号进行同步过程，解决了现有将机台信号与激光器信号进行配准难度大的问题。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例共同用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1示出了本发明实施例一激光器脉冲同步控制装置的结构示意图；

图2示出了本发明实施例一中信号输入电路的电路示意图；

图3示出了本发明实施例一中信号输出电路的电路示意图；

图4示出了本发明实施例一中运算放大电路的电路示意图；

图5示出了本发明实施例一中时序电路基于单一外控方式进行初级筛选时的信号调理图

图6示出了本发明实施例一中时序电路基于同步信号进行初级筛选时的信号调理图；

图7示出了本发明实施例一中两级放大器的电路示意图。

具体实施方式

以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。

现有激光器脉冲按需输出(POD)的方式不会改变选单频率，其只是在一系列选单脉冲中选出开光控制信号相对靠后的脉冲放出来，这样在选单频率与开光控制信号需求频率相差较大时，光输出的位置是容易确定的，但如果选单频率与开光控制信号需求频率相差较小时，就会容易出现加工漏点的问题。

实施例一

为解决现有技术中存在的技术问题，本发明实施例提供了一种激光器脉冲同步控制装置。

图1示出了本发明实施例一激光器脉冲同步控制装置的结构示意图，参考图1所示，本发明实施例激光器脉冲同步控制装置包括种子采样电路、时序电路、AOM驱动电路、机床控制板卡、上位机和检测采样电路。

种子采样电路主要用于将种子激光转换为时钟采样信号，并将时钟采样信号传输给时序电路，以为时序电路提供时序基准。种子采样电路包括依次连接的分束器、光电二极管和放大器。其中该电路中的分束器用于从种子激光中分出种子激光分束。该电路中的光电二极管用于将种子激光分束转换为种子电信号。该电路中的放大器用于对种子电信号进行放大得到种子采样信号。

时序电路包括相连的FPGA单元和高速DAC单元。其中FPGA单元包括FPGA以及与FPGA分别连接的信号输出电路和多组信号输入电路。优选地，FPGA可采用10M16SCE144C8G型号。参考图2所示，信号输入电路包括连接的光电耦合器和反相器等，光电耦合器用于通过光电器件将同步信号或开光控制信号转化为对应电信号，实现电信号的良好隔离效果。反相器用于增强电信号的驱动能力，并将反相后的信号传输给FPGA。信号输入电路实现将同步信号或开光控制信号传输给FPGA。参考图3所示，信号输出电路包括反相器等，信号输出电路用于增强FPGA输出的2级开关信号驱动，并将驱动增强后的2级开关信号传输给2级AOM驱动电路。

当时序电路基于同步信号进行初级筛选时，需设置两组信号输入电路，同步信号通过一组信号输入电路输入至FPGA，开光控制信号通过另一组信号输入电路输入至FPGA。当时序电路基于单一外控方式进行初级筛选时，仅需设置一组信号输入电路即可，开光控制信号通过一组信号输入电路输入至FPGA。

高速DAC单元包括运算放大电路和并行的高速DAC，运算放大电路和高速DAC连接。参考图4所示，运算放大电路包括运算放大器等，运算放大器可采用AD9748ACPZ型号。运算放大电路用于将FPGA输出的模拟包络做驱动增强，以向1级AOM驱动电路传输1级包络信号。

时序电路的主要工作方式为：基于种子采样电路和初级筛选信号生成1级包络信号，并将1级包络信号传输给1级AOM驱动电路，以使得1级AOM驱动电路驱动1级AOM声光晶体对激光脉冲进行初级筛选，且用于基于种子采样信号和开光控制信号生成2级开关信号，并将2级开关信号传输给2级AOM驱动电路，以使得2级AOM驱动电路驱动2级AOM声光晶体控制初级筛选后的激光脉冲的输出，并实现对初级筛选后的激光脉冲进行二次筛选。其中1级包络信号由高速DAC输出，2级开关信号由FPGA输出。

其中初级筛选信号包括两种，一种为通过外部机床控制板卡提供的同步信号实现对激光脉冲进行初级筛选，另一种方式为通过时序电路预先设置的单一外控方式实现对激光脉冲进行初级筛选，其中单一外控方式包括预先设定好的重复频率，且预先设定好的重复频率可通过RS232由上位机传输至时序电路。且需要说明的是，还可通过其他合理的通信方式将预先设定好的重复频率由上位机传输至时序电路，在此不对其进行过多赘述。

当时序电路基于同步信号进行初级筛选时，机床控制板卡会向时序电路提供同步信号，时序电路接收到同步信号后，会基于同步信号和种子采样信号向1级AOM驱动电路输出1级包络信号，1级包络信号可使得1级AOM驱动电路驱动1级AOM声光晶体筛选出的激光脉冲的相位和频率均与同步信号相同。进一步地，时序电路中的FPGA通过50M晶振经过倍频到高频率(即设定的重复频率)，而后以此高频PLL频率为基准，对种子采样信号进行采集以获取标记信号；标记信号控制生成DAC时钟信号和DAC数据信号，FPGA将DAC时钟信号和DAC数据信号输出给高速DAC，以控制高速DAC输出包络信号。FPGA根据采集到的光信号确定种子采样信号的频率和相位，在同步信号的上升沿时，使得时序电路中FPGA计数器重新置零，而后基于同步信号生成模拟信号包络。更近一步模拟信号包络生成过程为：在同步信号的起始端，通过高速DAC在第一根burst脉冲光前半个周期产生第一根burst模拟信号包络起始点，通过预先设置好的幅度参数设置好第一根burst模拟信号包络起始高速DAC幅度，通过高速DAC在第一根burst脉冲光后半个周期产生第一根burst模拟信号包络结束点，到此即完成了第一根burst的模拟信号包络设定，以此类推，直到完成所需burst的所有模拟信号包络；在下一个同步信号来临时，FPGA又开始重新控制高速DAC生成下一串BURST模拟信号包络。该种初级筛选方式下初级筛选信号包括同步信号。且需要说明的是，在该种模式下当同步信号丢失时，激光器触发急停报警。

模拟信号包络由FPGA控制高速DAC发出，1级AOM驱动电路接收，由于光在光纤中传输需要消耗一些飞行时间，实际上模拟信号包络输出需要一定延时，以匹配每个光脉冲，1级AOM驱动电路接收到包络信号后，转换为带载波的调幅射频信号，输入到1级AOM声光晶体中，1级AOM声光晶体接收到射频信号后，开始对经过晶体的种子源信号进行筛选和幅度调制。如果延时得当，可以使射频信号包络在所需BURST光内，达到选出所需不同幅度burst种子源光脉冲的目的。

需要说明的是，为了解决激光器初级筛选信号与开光控制信号的相位差的问题，在该种模式下，需设定同步信号与开光控制信号的上升沿相位差为预设值，该相位差可使得初级筛选后的激光脉冲与开光控制信号之间具有相同相位，进而达到开光控制信号与同步信号同步的目的，以避免在加工频率与内部频率接近时产生的漏点问题。

当时序电路基于单一外控方式进行初级筛选时：时序电路需基于种子采样信号以及设定的重复频率向1级AOM驱动电路输出1级包络信号，1级包络信号可使得1级AOM驱动电路驱动1级AOM声光晶体输出特定相位和频率的激光脉冲。进一步地时序电路中FPGA通过50M晶振经过倍频到高频率(即设定的重复频率)，而后以此高频PLL频率为基准，对种子采样信号进行采集以获取标记信号；标记信号控制生成DAC时钟信号和DAC数据信号，FPGA将DAC时钟信号和DAC数据信号输出给高速DAC，以控制高速DAC输出包络信。其中以晶振信号来对种子采样信号进行监测，可以很方便地对监测的光信号进行信号的整定、延时等操作。该种初级筛选方式下初级筛选信号包括设定的重复频率。

时序电路中的高速DAC以FPGA采集到的光信号为基础，通过FPGA控制在每一个脉冲之间的特定位置，向声光驱动器件输出特定幅度的包络模拟信号。更近一步地，利用晶振信号的延时功能，在两个光信号波谷之间通过高速DAC给到1级AOM驱动电路一个模拟信号包络，1级AOM驱动电路根据模拟信号包络的时间和幅度，输出一段带一定幅度的载波射频信号以驱动1级AOM声光晶体通光，如果激光脉冲正好在载波射频信号到来时间内通过1级AOM声光晶体，那么这个光脉冲将偏转到下一阶段，如果激光脉冲不在载波射频信号到来时间内通过1级AOM声光晶体，那么这个激光脉冲不经过偏转到垃圾光路中丢弃。

为了解决激光器初级筛选信号与开光控制信号的相位差的问题，设定时序电路在每次接收到开光控制信号的上升沿时，即使时序电路中FPGA计数器重新置零，进而达到开光控制信号与初级筛选信号即设定的重复频率同步的目的，以避免在加工频率与内部频率接近时产生的漏点问题。

需要说明的是，激光器本身即具有输出激光脉冲的激光种子源和多个AOM声光晶体，本实施是在激光器基础上实现的，本实施例中的激光脉冲、1级AOM声光晶体和2级AOM声光晶体均为激光器提供。

时序电路接收到初级筛选信号的同时，还接收到机床控制板卡提供的开光控制信号。当时序电路接收到机床控制板卡提供的开光控制信号后，当接收到开光控制信号的上升沿时，时序电路中FPGA计数器重新置零。同理时序电路中FPGA通过50M晶振经过倍频到高频率，而后以此高频PLL频率为基准，对种子采样信号进行采集。而后利用晶振信号的延时功能，给到2级AOM驱动电路一个控制信号，2级AOM驱动电路根据控制信号的时间和幅度，输出一段带一定幅度的载波射频信号以驱动2级AOM声光晶体通光，如果初级筛选后的激光脉冲正好在载波射频信号到来时间内通过2级AOM声光晶体，那么这个激光脉冲将正常输出，如果初级筛选后的激光脉冲不在载波射频信号到来时间内通过2级AOM声光晶体，那么这个激光脉冲偏转到垃圾光路中丢弃。

需要说明的是，通过2级开关信号对2级AOM驱动电路进行控制，以使得2级AOM驱动电路驱动2级AOM声光晶体的通光与否，实现了对激光器是否输出激光脉冲的控制，即作为开关作用。同时基于开光控制信号生成2级开关信号，并基于2级开关信号对初级筛选后的激光脉冲进行二次筛选，实现了对激光器输出激光脉冲的频率幅度的控制，进而达到选出所需频率幅度的激光脉冲的目的。

进一步地，开光控制信号包括两种工作模式，GATE工作模式和TIGGER工作模式。当开光控制信号为GATE工作模式时，2级AOM声光晶体输出激光脉冲将在开光控制信号为高电平时持续输出初级筛选后的激光脉冲。而当开光控制信号为TIGGER工作模式下时，2级AOM声光晶体输出激光脉冲的频率与开光控制信号的频率保持一致。

图5示出了本发明实施例一中时序电路基于单一外控方式进行初级筛选时的信号调理图；图6示出了本发明实施例一中时序电路基于同步信号进行初级筛选时的信号调理图；参考图5和图6所示，当开光控制信号为GATE工作模式时，时序电路中FPGA控制2级AOM声光晶体在外控GATE信号高电平时打开，此时激光器将外控GATE信号高电平时的完整BURST激光脉冲串放出。而当开光控制信号为TIGGER模式时，FPGA控制2级AOM声光晶体在外控TRIGGER信号上升沿后第一串BURST内打开，此时激光器将外控TRIGGER信号上升沿后的第一串BURST放出。且需要说明的是，时序电路生成1级包络信号和生成2级开关信号的过程互不干扰。

当本发明实施例激光器脉冲同步控制装置通过时序电路的单一外控方式或同步信号方式实现激光脉冲的初级筛选，通过机床控制板卡提供的开光控制信号实现激光脉冲的二次筛选。

AOM驱动电路用于基于1级包络信号对1级AOM声光晶体的开关进行控制，以实现对激光脉冲进行初级筛选，且用于基于2级开关信号对2级AOM声光晶体的开关进行控制，以实现对初级筛选后的激光脉冲的输出进行控制，并实现对初级筛选后的激光脉冲进行二次筛选。AOM驱动电路即包括1级AOM驱动电路和2级AOM驱动电路.

机床控制板卡用于为时序电路提供同步信号和开光控制信号。上位机与时序电路通过RS232通信连接，以用于为时序电路提供设定的重复频率。检测采样电路与种子采样电路结构相同，因此其具体结构在此不再对其进行赘述。且优选地，检测采样电路与种子采样电路中的放大器均为量级放大器，两级放大器电路图如图7所示。

检测采样电路用于基于初级筛选后的激光脉冲获取初级采样信号，并将初级采样信号传输给时序电路，以为时序电路提供激光正确输出的判断基准。

此时时序电路中的FPGA还用于基于初级采样信号判断初级筛选后的激光脉冲是否为正确输出。具体判断方式为：判断初级筛选后的激光脉冲频率是否与设定的分频频率一致，分频频率为FPGA对种子采样信号进行采集获取标记信号过程中，FPGA通过50M晶振经过倍频到高频率，以高频PLL频率为基准，对待采集光信号进行采集时上位机传输设定的。例如种子源为20MHz，设置的分频频率为100K，那上位机会传给FPGA数字200(20000000/100000)，每个标记位到来时，FPGA内部计数器会+1，当计数器到200时，计数器归零，重新开始计数。

当判断初级筛选后的激光脉冲频率与设定的分频频率一致时，即表示的初级筛选后的激光脉冲输出正常，不存在偏移等现象，此时FPGA正常控制激光脉冲输出即可，否则FPGA控制结束激光脉冲的输出。

本发明实施例提供的激光器脉冲同步控制装置，设定同步信号与开光控制信号的上升沿相位差为预设值，以机床控制板卡输出的同步信号为基准，在1级AOM声光晶体分频时根据同步信号实时调整1级分频相位，以解决激光器内部选单与外部控制信号的相位差的问题；且通过机床控制板卡向时序电路发送同步信号和开光控制信号，实现将激光器信号与机床控制板卡信号进行同步过程，解决了现有将机台信号与激光器信号进行配准难度大的问题。

虽然本发明所公开的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所公开的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。