高能量皮秒激光脉冲POD控制系统及方法

技术领域

本发明涉及激光技术领域，尤其涉及一种高能量皮秒激光脉冲POD控制系统及方法。

背景技术

脉冲能量为几百μJ(微焦 )、重复频率为几百kHz(千赫兹 )的高功率高重复频率的皮秒激光能满足对许多材料的精细加工需求，可被广泛应用于激光切割、雕刻、划线以及打标等领域。皮秒激光加工技术已成为激光加工领域的研究热点，引领未来激光加工的趋势。由于使用者在使用皮秒激光器对材料的高速加工过程中，需要在不改变单脉冲的各种参数下，快速调整激光脉冲的频率，因此就要对激光器输出的定频光脉冲进行高速调制输出。现有技术直接改变激光器的光脉冲输出频率，不但会改变单脉冲的各种参数（例如采用传统控制直接改变激光输出频率，激光单脉冲能量也会跟随改变），而且响应速度慢，影响加工效率；另外激光器自身也不适于在低频模式下工作；因此在使用激光器对材料进行加工的过程中，先将激光器的激光单脉冲设置在一个最优的单脉冲参数下，然后采用POD控制装置对激光脉冲进行频率调制输出，将激光器的单脉冲的光学参数和实际出光频率变成两个独立的控制参数，均可独立控制，满足各种加工需求。

现有皮秒激光器单脉冲选取控制技术在以下技术上存在不足或还不能实现：1、可以实现从重复频率为1MHz的高能量激光脉冲里，选取出频率为1-20分频的高能量激光；2、可以通过软件设置，实现外部触发或者门控信号对激光脉冲进行调制输出；3、选择外部触发输出激光脉冲时，可实现激光脉冲频率随外部触发控制信号频率实时改变，即实现POD（pulse on demand）控制。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高能量皮秒激光脉冲POD控制系统及方法，可以实现激光脉冲单脉冲能量恒定且激光脉冲输出可由客户控制信号触发，保证客户控制信号在变频下，达到一致的加工效果，同时规避了激光器自身无法低频出光，以及激光器在不同频率下单脉冲能量不同的问题。

本发明是这样实现的：

本发明提供一种高能量皮秒激光脉冲POD控制系统，包括控制电路、光学快速选取装置、主光学时钟，所述主光学时钟连接所述控制电路，所述控制电路连接所述光学快速选取装置，所述主光学时钟用于发出基础时钟激光脉冲信号并传递给所述控制电路，所述控制电路用于根据基础时钟激光脉冲信号以及接收的外部控制脉冲信号输出调制脉冲信号给所述光学快速选取装置，所述光学快速选取装置用于根据调制脉冲信号对皮秒激光器发出的激光脉冲进行筛选。

进一步地，所述控制电路包括用于逻辑时序控制的FPGA和用于控制管理的MCU。

进一步地，所述控制电路采用触发信号或门控信号作为外部控制脉冲信号，FPGA接收外部控制脉冲信号与基础时钟激光脉冲信号后输出与外部控制脉冲信号频率一致的高能量激光脉冲，同时在每个外部触发信号上升沿的起点产生数字调制信号，通过数字调制信号控制光学快速选取装置。

进一步地，所述控制电路还包括时序电路、CPU、实时时钟、I/O接口和RS232接口。

本发明还提供一种根据上述系统进行高能量皮秒激光脉冲POD控制的方法，包括以下步骤：

S1、在重复频率的高能量皮秒激光脉冲输出时，控制电路接收主光学时钟发出的基础时钟激光脉冲信号；

S2，若选取内控方式工作，控制电路根据基础时钟激光脉冲信号输出调制脉冲信号给光学快速选取装置；

若选取外控方式工作，控制电路捕获外部控制脉冲信号，并根据基础时钟激光脉冲信号以及接收的外部控制脉冲信号输出调制脉冲信号给光学快速选取装置。

S3、光学快速选取装置根据调制脉冲信号对皮秒激光器发出的激光脉冲进行筛选。

进一步地，所述步骤S1具体包括：

控制电路中的FPGA接收主光学时钟发出的基础时钟激光脉冲信号，通过FPGA内的逻辑时序控制运算，预输出光学快速选取装置的控制信号。

进一步地，所述步骤S2具体包括：

若选取内控方式工作，由FPGA内的逻辑时序控制电路将主光学时钟发出的基础时钟激光脉冲信号筛选出来，作为光学快速选取装置的控制信号；

若选取外控方式工作，控制电路中的MCU发出FPGA作外控触发模式指令，FPGA不停高速检测是否接收到外部控制脉冲信号，当接收到外部控制脉冲信号时，该外部控制脉冲信号与FPGA内的逻辑控制电路组合，将主光学时钟发出的基础时钟激光脉冲信号筛选出来作为调制脉冲信号输出给光学快速选取装置，光学快速选取装置立即捕获并输出当前的皮秒激光脉冲；当输入触发信号时，选取的信号与触发信号同步，当输入门控信号时，选取门控信号的高电平时的信号，门控信号内部的调制信号频率由皮秒激光器出光频率和分频数共同决定。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明提供的这种高能量皮秒激光脉冲POD控制系统及方法可以在高达1MHz的高能量皮秒激光脉冲里精确的选出所需要的每一个皮秒激光脉冲；

2、通过设置控制电路参数，可以实现高达20种不同分频皮秒激光脉冲输出效果；

3、可以实现皮秒激光器POD功能，激光输出频率随外控信号实时调制变化；

4、通过软件参数设置，可以实现皮秒激光器脉冲处于原频工作模式还是分频工作模式；

5、可通过TTL电平一个输入，更改软件设置本输入为外部触发输入信号或为门控输入信号；

6、解决了皮秒激光器普遍存在的低频限制输出问题。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种高能量皮秒激光脉冲POD控制系统功能示意图；

图2为本发明实施例提供的控制电路控制框图；

图3为本发明实施例提供的一种高能量皮秒激光脉冲POD控制方法的控制逻辑时序图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明实施例提供一种高能量皮秒激光脉冲POD（pulse on demand）控制系统，包括控制电路1、光学快速选取装置2、主光学时钟3，所述主光学时钟3连接所述控制电路1，所述控制电路1连接所述光学快速选取装置2，所述主光学时钟3作为控制电路1的基础时钟，用于发出基础时钟激光脉冲信号并传递给所述控制电路1，所述控制电路1还接收外部控制脉冲信号用于对基础时钟有效性进行筛选，所述控制电路1根据所述基础时钟激光脉冲信号以及接收的外部控制脉冲信号输出调制脉冲信号给所述光学快速选取装置2，所述光学快速选取装置2用于根据调制脉冲信号对皮秒激光器发出的激光脉冲进行筛选，并选出任意频率的激光脉冲。

如图2所示，本优选实施例中，所述控制电路1包括用于逻辑时序控制的FPGA和用于控制管理的MCU。所述控制电路1采用触发信号或门控信号作为外部控制脉冲信号，FPGA接收外部控制脉冲信号与基础时钟激光脉冲信号后输出与外部控制脉冲信号频率一致的高能量激光脉冲。采用触发信号作为外部控制脉冲信号时，FPGA接收外部控制脉冲信号与基础时钟激光脉冲信号后输出单个或固定频率的数字量调制脉冲信号，同时在每个外部触发信号上升沿的起点产生数字调制信号，通过数字调制信号控制光学快速选取装置2。所述控制电路1还包括时序电路、CPU、实时时钟、I/O接口和RS232接口，I/O接口和RS232接口用于连接远程控制装置。

本发明还提供一种根据上述系统进行高能量皮秒激光脉冲POD控制的方法，包括以下步骤：

S1、在重复频率的高能量皮秒激光脉冲输出时，控制电路1接收主光学时钟3发出的基础时钟激光脉冲信号；

S2，若选取内控方式工作，控制电路1根据基础时钟激光脉冲信号输出调制脉冲信号给光学快速选取装置2；

若选取外控方式工作，控制电路1捕获外部控制脉冲信号，并根据基础时钟激光脉冲信号以及接收的外部控制脉冲信号输出调制脉冲信号给光学快速选取装置2。

S3、光学快速选取装置2根据调制脉冲信号对皮秒激光器发出的激光脉冲进行筛选。

为实现从重复频率为1MHz的高能量皮秒激光脉冲里，选取出任意频率的激光脉冲（频率范围≤1MHz可调），本发明采用如图3所示的控制逻辑时序图。

作为优选地，所述步骤S1具体包括：

控制电路1中的FPGA接收主光学时钟3发出的基础时钟激光脉冲信号，通过FPGA内的逻辑时序控制运算，预输出光学快速选取装置2的控制信号。

作为优选地，所述步骤S2具体包括：

若选取内控方式工作，由FPGA内的逻辑时序控制电路将主光学时钟3发出的基础时钟激光脉冲信号筛选出来，作为光学快速选取装置2的控制信号；

若选取外控方式工作，由用户输入1Hz-1MHz任意频率（低于激光器出光频率）的触发信号或门控信号给所述控制电路1，控制电路1中的MCU发出FPGA作外控触发模式指令，FPGA不停高速检测是否接收到外部控制脉冲信号，当接收到外部控制脉冲信号时，该外部控制脉冲信号与FPGA内的逻辑控制电路组合，将主光学时钟3发出的基础时钟激光脉冲信号筛选出来作为调制脉冲信号输出给光学快速选取装置2，光学快速选取装置2立即捕获并输出当前的皮秒激光脉冲；当输入触发信号时，选取的信号与触发信号同步，当输入门控信号时，选取门控信号的高电平时的信号，门控信号内部的调制信号频率由皮秒激光器出光频率和分频数共同决定。

综上所述，本发明具有以下有益效果：

1、本发明提供的这种高能量皮秒激光脉冲POD控制系统及方法可以在高达1MHz的高能量皮秒激光脉冲里精确的选出所需要的每一个皮秒激光脉冲；

2、通过设置控制电路1参数，可以实现高达20种不同分频皮秒激光脉冲输出效果；

3、可以实现皮秒激光器POD功能，激光输出频率随外控信号实时调制变化；

4、通过软件参数设置，可以实现皮秒激光器脉冲处于原频工作模式还是分频工作模式；

5、可通过TTL电平一个输入，更改软件设置本输入为外部触发输入信号或为门控输入信号；

6、解决了皮秒激光器普遍存在的低频限制输出问题。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。