董全睿，张振东，王伟国，陈 涛，陈 飞

（中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所, 吉林 长春 130033）

1 引 言

光纤激光器由于具有转化效率高、光束质量好以及输出功率稳定等特点，在医学监测、激光加工以及国防军事等领域应用广泛[1-2]。泵浦源的稳定性是高功率激光器控制系统的关键。目前，市场上多数泵浦源都采用大功率半导体二极管（Laser Diode, LD）作为发光部件，并使用稳定的恒流源为其供电[3-4]。市场上高端激光器泵浦源及其配套产品主要被国外厂家垄断，价格昂贵且订货周期长。因此，设计一个稳定可靠的激光泵浦源控制系统是大功率激光器的核心功能。此外，由于激光器倍频晶体与基频光的相位匹配对温度变化十分敏感，为了提高激光的转换效率，倍频晶体的精确温度控制也将影响激光器的光束质量[5]。

为了解决上述问题，本文基于全国产化器件完成大功率激光器的控制系统设计。该控制系统集成了泵浦驱动模块、倍频晶体温度控制模块以及人机交互模块等功能。实验结果显示所设计的控制系统满足515-nm 大功率激光器的系统设计需求。

2 基本原理与系统组成

2.1 基本原理

光纤激光器由增益光纤、谐振腔和泵浦源3部分组成[6]，如图1 所示。产生激光信号需要同时满足激光阈值、具备粒子束反转和激光增益三方面条件，泵浦源的作用是利用外部能量使增益介质中粒子能级跃迁，当谐振腔内的增益高于损耗时将产生激光震荡，此时才会有激光信号输出[7]。一般选择掺杂稀土元素的半导体激光器作为泵浦源，其荧光寿命较长，能够实现很高的转换效率。激光器泵浦源激励方式可分为恒定电流与脉冲两种方式[8]。由于泵浦产品多使用半导体二极管，本文设计的控制系统采用恒流激励的方法驱动激光器泵浦源。因此，泵浦驱动模块本质上就是实现恒流源的数字控制，同时带有过压保护、短路保护等防护功能。

图1 光纤激光器的示意图Fig. 1 Schematic diagram of the fiber laser

激光器基频光向倍频光单向不断转换的过程需要使用倍频晶体实现，相位匹配则是提高转换效率的关键，相位匹配包括角度相位匹配和温度相位匹配[9]。倍频晶体温控模块是通过控制半导体制冷片电流的流向实现对晶体的加热与制冷需求。激光器在出光和停光的瞬间，晶体上热量会发生明显改变。因此，保证激光器的输出功率、光束质量及晶体温度的稳定是激光器控制系统的必要环节。

2.2 系统组成

该激光器控制系统原理框图如图2 所示，主要包括泵浦驱动模块、倍频晶体温控模块以及人机交互模块等。泵浦驱动模块负责给泵浦源供电，并增加了驱动模块的防护功能。倍频晶体温控模块由倍频晶体、半导体制冷片以及热敏电阻组成，通过控制半导体制冷片上电流的大小与方向达到加热或制冷的作用。人机交互模块选用国产DSP+FPGA 的嵌入式系统，能够完成对激光器的指令执行、状态监督以及数据存储等功能。

图2 大功率激光器控制系统原理框图Fig. 2 Functional block diagram of the high power laser control system

3 系统模块设计

3.1 泵浦驱动模块

为了满足激光器的功耗要求以及功率稳定性需求，设定该激光器的泵浦驱动模块设计指标，如下：（1）电流为0～20 A 连续可调；（2）电压小于48 V；（3）电流纹波峰峰值小于0.1%。为了减小泵浦驱动模块工作过程中的电路损耗，采用脉宽调制技术进行驱动。泵浦驱动模块的基本构成如图3 所示，泵浦驱动模块主要包含恒流驱动单元、采样单元和控制单元。恒流驱动单元的主要器件为MOSFET，采样单元的核心器件为霍尔芯片和A/D 转换芯片，控制单元则使用DSP+FPGA 的硬件结构。泵浦驱动模块工作时采用基于负反馈控制结构，即：采样单元得到泵浦驱动模块的输出电流，通过A/D 转换为电压信号发送给DSP，DSP通过计算得到PWM 方波，最后通过驱动单元实现电流调节的目的。

图3 泵浦驱动模块示意图Fig. 3 Schematic diagram of the pump drive module

3.2 倍频晶体温控模块

由于倍频晶体对温度变化十分敏感，因此，设计一个精准的温控系统十分必要。半导体制冷片是以半导体材料的珀尔帖效应为原理，串联多组PN 结制作而成的[10]。半导体制冷片上下两面是陶瓷电极，中间是半导体元件，当直流电源流过半导体制冷片的两个电极时，其中一面的热量将会被吸收，然后运送到另一面释放，从而实现热量传递。制冷量Qc可通过式（1）描述：

其中，Qj为焦耳热，Qk为传导热， α为热电系数，Tc和Th分别表示半导体制冷片制冷侧和加热侧的温度，K为热传导系数，R为半导体制冷片的电阻值。

图4 表示倍频晶体温控模块示意图。可见，晶体与半导体制冷片表面接触，晶体温度反馈通过热敏电阻测得，热敏电阻阻值与温度关系为[11]：

图4 倍频温控模块示意图Fig. 4 Schematic diagram of the frequency doubling temperature control module

式中，T1为 实际开尔文温度，Rt为T1温度下的阻值，T2为常温开尔文温度，R为T2温度下的标称阻值，B值为热敏指数，T1对 应实际温度t=T1-273.15。本温控模块选用在25 °C 下阻值为10 kΩ 的热敏电阻，B=3 950 K。主控模块完成预设温度与实际温度的闭环控制算法，直流输出到半导体制冷片两端进行调节。半导体制冷片驱动电压为24 V，最大电流为7 A。

3.3 主控模块

主控模块硬件电路包括主控处理器、主控电源电路、温度检测电路和主控通信电路等。主控模块负责接收上位机指令，并将指令成功执行至激光器，使激光器能够稳定工作。同时，主控模块需要对激光器运行时的工作状态进行实时监测，及时发现故障，定位故障并上报故障信息，确保激光器的工作状态及其使用环境符合需求。主控模块具有12 路模拟采集通道，4 路模拟输出通道，4 路422/485 串口通信通道，8 路232 串口通信通道，可编程开关16 路，所有硬件电路设计均满足国产化需求。

主控处理器选用国产进芯科技DSP+紫光同创FPGA，DSP 负责泵浦驱动模块和温控模块控制算法的计算、PWM 方波的产生以及与主控软件通信；FPGA 则负责模拟信号采集，包括电流信号、温度信号和气压信号等，此外，FPGA 也兼顾与外围电路的通信等功能。

控制系统输入电源为24 V 直流电压，模拟采集与模拟输出芯片需要5 V 直流供电，处理器模块还需要被提供3.3 V 和1.8 V 的直流电压。因此，需要设计电压转换电路，主电源芯片选自金升阳的隔离型宽电压输入电源模块，其他辅助电源选用贝岭的降压电源稳压器。

A/D 模拟采集芯片和D/A 模拟输出芯片均选自核芯互联公司，A/D 转换芯片是8 通道单端输入电荷再分配逐次逼近型寄存器(SAR)型模数转换器，使用SPI 兼容接口实现配置寄存器的写入和转换结果的读取。硬件电路通过外围扩展多路复选芯片将模拟采集通道扩展为12 路，分辨率为16 位，转换速率200 kSPS。D/A 模拟输出芯片具有4 路通道，分辨率为16 位，可提供低于1 LSB 的线性度，温漂系数最大为5 ppm/ °C，与主控芯片的数字接口配置为SPI 模式，满足激光器控制系统使用需求。

主控系统与上位机之间使用422 串口通信方式，为了抑制共模干扰和EMI 问题，串口芯片选择金升阳的隔离型差分收发芯片，传输速率高达1 Mb/s，满足系统通信需求。

3.4 软件开发流程

主控系统的工作流程图如图5 所示。系统上电后首先进行初始化，包括外设设置、参数初始化和待机初始化设置等。接着进入上电自检状态，主要包括传感器的温湿度信息、压力信息以及种子源自检，自检完成后设置晶体温度，当晶体温度达到预设值之后进入待机状态，等待上位机发送出光指令。该上位机系统还设置了调试模式，在调试模式下，上位机可以通过设置泵浦电流值调节激光器的输出功率，满足用户的调试需要。系统接到停光指令后，激光器的泵浦电流值以0.5 A/s 的速率降为零，泵浦关闭之后再关闭种子源。当系统出现故障时，进入中断程序，上报故障信息给上位机并采取急停方式关闭激光器。

图5 主控系统工作流程示意图Fig. 5 Working flow diagram of the control system

4 测量实验与结果

4.1 泵浦驱动模块测试

为了验证泵浦模块的驱动能力，对泵浦源进行P-I特性测试，测试温度为25 °C。实验过程中，泵浦驱动模块的电流由1 A 逐渐增加到20 A，并且每次供电过程都稳定在10 min，记录每个电流值下的光功率。由实验数据可绘制出泵浦源的电流-光功率特性曲线，如图6 所示。

图6 泵浦源电流-功率特性曲线Fig. 6 Current-power characteristic curve of the pump source

根据图6 对电流-功率数据进行最小二乘拟合，可得到电流-功率的线性相关度为0.995 6。因此，实验结果表明泵浦源的电流-功率特性曲线具有良好的线性度。

4.2 晶体模块温度测试

在环境温度为25 °C 的条件下，对晶体进行加热测试，温度设定范围为40～50 °C，每次设定温度递增1 °C，每个设定温度值测量3 次，测量时间间隔为5 min。测试结果如表1 所示。

表1 温度测试结果Tab.1 Results of temperature measurements (°C)

从表1 可以看出，实际温度值能够最终稳定在目标温度，温度误差最大为0.03 °C，满足倍频晶体温控模块需求。

5 结 论

本文为满足515-nm 大功率激光器稳定工作的要求，设计一款全国产化高稳定度的激光器控制系统。文中首先介绍了该激光器控制系统的工作原理以及系统组成；然后对大功率激光器控制系统的泵浦驱动模块、倍频晶体温控模块和主控模块进行了详细研究；最后，对泵浦源进行上电测试，保证了激光器能够稳定输出，此外，还对倍频晶体模块进行了温度测试。实验结果表明：温度误差最大为0.03 °C，控制系统能够实时监测激光器的内部状态，安全可靠。倍频后的激光器输出中心波长为514.98 nm，功率可达170 W，光功率稳定度为±0.07 dB。该激光器控制系统具有一定的通用性，并且所有元器件完全自主可控，可满足一类激光器控制系统的需求，具有一定的实用性。