功率稳定型固体激光器及控制方法技术

本发明专利技术公开了一种功率稳定型固体激光器及控制方法，所述的功率稳定型固体激光器包括其内流通冷却水的基座，用以安装固定所述的固体激光器的光学晶体的导热载座，设置在导热载座上的温度传感器，设置在导热载座和基座间并由双极性电流驱动器驱动的半导体制冷单元，以及控制单元，本发明专利技术在传统的温度控制系统的基础上，构建出温度‑电流双闭环控制系统，内环是采用PI控制的电流闭环，外环是采用PID控制的温度闭环，以此来提高系统的控制精度，最终达到提高固体激光器功率稳定性的目的。

Power stable solid state laser and its control method

The invention discloses a power-stabilized solid-state laser and a control method thereof. The power-stabilized solid-state laser comprises a base for circulating cooling water therein, a heat-conducting base for fixing the optical crystal of the solid-state laser, a temperature sensor arranged on the heat-conducting base, a heat-conducting base and a base. The semiconductor refrigeration unit and the control unit are driven by the bipolar current driver between the seats. On the basis of the traditional temperature control system, the invention constructs a temperature and current double closed loop control system. The inner loop is a current closed loop controlled by PI, and the outer loop is a temperature closed loop controlled by PID to improve the system. The accuracy of control can ultimately improve the power stability of solid state lasers.

【技术实现步骤摘要】
功率稳定型固体激光器及控制方法
本专利技术属于激光器
，具体涉及一种功率稳定型固体激光器及控制方法。
技术介绍
固体激光器具有波长短、吸收率高、体积小，能采用光纤传输实现柔性加工等优点，使它在激光加工中的应用越来越广泛。国内对于固体激光器的研究主要集中在提高功率方面，而固体激光器功率的稳定性也是限制其推广使用的一大因素，是固体激光器性能的重要指标。固体激光器中的工作物质即光学晶体在工作时容易产生热沉积从而引起自身温度变化，进而导致激光器输出激光的光谱、功率产生漂移，严重影响激光器的功率的稳定性。因此很多国产的固体激光器在稳定性及可靠性方面不能满足工业化应用的需求，这就极大地限制了固体激光器的发展与应用，所以提高固体激光器的稳定性是亟待解决的一个问题。而对其光学晶体的工作温度进行精密控制，使其工作在最佳匹配温度下，对于提高固体激光器的性能和可靠性具有重要意义，也使国产固体激光器能够得到更加广泛的推广应用。保持固体激光器工作过程中的温度稳定是提高其功率稳定性的重要方法。现阶段，保持温度稳定的有效方法之一是采用温控系统，包括风冷、水冷以及制冷剂等。而国内大多采用的水冷温控系统，其缺点是一方面精度相对较低，另一方面是存在一定的滞后性，往往不能对温度升高的固体激光器进行及时的降温。因此有必要引入一种能够高效率高精度的实现固体激光器温度稳定的温控系统，在激光器工作过程中实时、高效地保持温度稳定。但是由于TEC在工作过程中会产生温差ΔT，从而产生温差电动势，该电动势的存在在实际工作中会影响加载在TEC两端的有效工作电压，从而影响其实际工作电流，导致最终温度控制精度不高。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提供一种功率稳定型固体激光器，该功率稳定型固体激光器使用半导体制冷模块及循环水冷系统结合的方式对光学晶体进行降温，基于嵌入式系统完成对光学晶体温度的采集、分析、反馈和控制，使其温度精确稳定在预设温度之内。该装置可以做到实时、精确控温，有效避免传统控温系统的滞后性及误差，实时生成光学晶体温度变化曲线，更大程度上提高固体激光器的功率稳定性。本专利技术是通过以下技术方案实现的：一种功率稳定型固体激光器，包括其内流通冷却水的基座，用以安装固定所述的固体激光器的光学晶体的导热载座，设置在导热载座上的温度传感器，设置在导热载座和基座间并由双极性电流驱动器驱动的半导体制冷单元，以及控制单元，所述的控制单元包括与所述的温度传感器通讯连接的微处理器和电流互感器，所述的电流互感器用以采集所述的双极性电流驱动器电流的电流输出，所述的微处理器与所述的双极性电流驱动器可控连接。在上述技术方案中，所述的导热载座为铜质。在上述技术方案中，所述的导热载座为腔式或者台面式结构。在上述技术方案中，所述的温度传感器包括温度传感单元，形成有用以定位所述的温度传感单元的中空腔的铠装螺丝，所述的铠装螺丝与所述的导热载座螺纹连接。在上述技术方案中，所述的温度传感器为热电阻传感器，所述的热电阻传感器经信号放大器和A/D模块后连至微处理器，所述的微处理器的输出经D/A模块和电流给定隔离放大器连接至所述的双极性电流驱动器。在上述技术方案中，所述的微处理器、电流互感器、A/D模块、D/A模块和电流给定隔离放大器集成在同一电路板上。在上述技术方案中，所述的温度传感器为多个均布或按预定规律分布在光学晶体周围的多个。在上述技术方案中，所述的微处理器为单片机。在上述技术方案中，还包括与所述的单片机通讯连接的人机交互屏幕或PC机。在上述技术方案中，所述的半导体制冷片由H桥驱动。一种所述功率稳定型固体激光器的控制方法，包括以下步骤，1)打开循环水冷系统，控制水温度稳定在≤25℃的范围内；2)固体激光器开始工作，光学晶体温度逐渐升高；温度传感器接收到温度变化信号并反馈给单片机，3)在单片机中对温度信号进行分析和处理，当采集到的温度信号高于预设温度信号时，利用PID控制改变PWM的占空比调节驱动电路输出的有效电压，控制TEC工作电流的大小，使其开始制冷；4)采集实际TEC工作电流值并与预先计算出的预期TEC工作电流进行比较，经PI算法运算后得到一定的控制增量对TEC工作电压进行补偿，从而使TEC工作在预期电流下，实现精准的温度控制。本专利技术的优点和有益效果为：所以本专利技术在传统的温度控制系统的基础上，构建出温度-电流双闭环控制系统，内环是采用PI控制的电流闭环，外环是采用PID控制的温度闭环，以此来提高系统的控制精度，最终达到提高固体激光器功率稳定性的目的。基于嵌入式系统完成对光学晶体温度的采集、分析、反馈和控制，使其温度精确稳定在预设温度之内。该装置可以做到实时、精确控温，有效避免传统控温系统的滞后性及误差，实时生成光学晶体温度变化曲线，更大程度上提高固体激光器的功率稳定性。附图说明图1是本专利技术功率稳定型固体激光器及控制方法的结构示意图。对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，可以根据以上附图获得其他的相关附图。具体实施方式为了使本
的人员更好地理解本专利技术方案，下面结合具体实施例进一步说明本专利技术的技术方案。实施例一本专利技术的功率稳定型固体激光器，包括其内流通冷却水的基座，用以安装固定所述的固体激光器的光学晶体的导热载座，设置在导热载座中的温度传感器，设置在导热载座和基座间并由双极性电流驱动器，如所述的半导体制冷片如H桥驱动的半导体制冷单元，以及控制单元，其中，所述的控制单元包括与所述的温度传感器通讯连接的微处理器，用以采集所述的双极性电流驱动器的输出的电流互感器，所述的控制器与所述的双极性电流驱动器可控连接。其中，将测量和控制光学晶体温度的温度传感器，如铂电阻传感器和TEC半导体制冷单元安装在导热载座，如铜质导热载座上，该导热载座可为腔式或者台面式结构以承载定位光学晶体，同时利用导热载座良好的温度均衡性，能实现温度采集的准确性，利用半导体制冷单元进行散热进行温度控制，通过构造恒温环境来间接的稳定光学晶体的温度。同时，将导热载座设置在基座上且基座内部通过冷却水进行散热。利用铂电阻测量温度，根据当前温度和设定温度的差异，控制TEC半导体制冷片进行制冷和加热，TEC半导体的环境侧为温度相对稳定的循环水，使其光学晶体工作在设定温度下。结合光学晶体温度变化特征和TEC半导体制冷片工作特性，采用温度-电流双闭环温度控制系统对其进行温度控制，保证其工作温度稳定在设定值附近，从而提高激光器的激光输出稳定性。当系统采集到固体激光器光学晶体温度升高时，微处理器(MCU)分析采集温度与预设温度存在差值，外环温度闭环采用PID控制，使用PWM驱动TEC驱动电路开始工作制冷；内环电流闭环使用PI控制对TEC两端电压进行补偿，从而达到调节流过TEC电流的目的，最终实现精度更高的温度控制。即采集到的实际温度值与设定温度值在MCU中经PID算法运算后得到一定的控制量，该控制量按照一定比例规律转换为具有相应占空比的PWM驱动信号，控制双极性电流驱动器驱动TEC进行工作。同时使用电流互感器采集当前TEC实际工作电流，该实际工作电流在MCU中与预先计算出的预期TEC工作电流进行比较，经PI算法运算后得到一定的控制增量，该控制增量转换为具有一定占空比的PWM控制信号后对TEC两端的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种功率稳定型固体激光器，其特征在于，包括其内流通冷却水的基座，用以安装固定所述的固体激光器的光学晶体的导热载座，设置在导热载座上的温度传感器，设置在导热载座和基座间并由双极性电流驱动器驱动的半导体制冷单元，以及控制单元，所述的控制单元包括与所述的温度传感器通讯连接的微处理器和电流互感器，所述的电流互感器用以采集所述的双极性电流驱动器电流的电流输出，所述的微处理器与所述的双极性电流驱动器可控连接。

【技术特征摘要】
1.一种功率稳定型固体激光器，其特征在于，包括其内流通冷却水的基座，用以安装固定所述的固体激光器的光学晶体的导热载座，设置在导热载座上的温度传感器，设置在导热载座和基座间并由双极性电流驱动器驱动的半导体制冷单元，以及控制单元，所述的控制单元包括与所述的温度传感器通讯连接的微处理器和电流互感器，所述的电流互感器用以采集所述的双极性电流驱动器电流的电流输出，所述的微处理器与所述的双极性电流驱动器可控连接。2.根据权利要求1所述的一种功率稳定型固体激光器，其特征在于：所述的导热载座为铜质。3.根据权利要求1所述的一种功率稳定型固体激光器，其特征在于：所述的导热载座为腔式或者台面式结构。4.根据权利要求1所述的一种功率稳定型固体激光器，其特征在于：所述的温度传感器包括温度传感单元，形成有用以定位所述的温度传感单元的中空腔的铠装螺丝，所述的铠装螺丝与所述的导热载座螺纹连接。5.根据权利要求4所述的一种功率稳定型固体激光器，其特征在于：所述的温度传感器为热电阻传感器，所述的热电阻传感器经信号放大器和A/D模块后连至微处理器，所述的微处理器的输出经D/A模块和电流给定隔离放大器连接至所述的双极性电流驱动器。6.根据权利要求5所述的一种功率稳定型固体激光器，...

【专利技术属性】
技术研发人员：李嘉强，张金玉，曹剑，徐晓明，王雪梅，李志伟，
申请(专利权)人：核工业理化工程研究院，
类型：发明
国别省市：天津,12