CN104009385B - 激光能量控制方法和系统 - Google Patents

Abstract

一种激光能量控制方法，包括以下步骤：向激光器输出第一脉冲信号，使所述激光器处于预热状态；在经过延迟时间t后，向所述激光器输出第二脉冲信号，所述激光器开始发光；在经过发光时间t₂后，停止向所述激光器输出第二脉冲信号，使所述激光器处于预热状态；在经过预热时间t₁后，停止向所述激光器输出第一脉冲信号；其中，t₁＝2t+t₂；因此，在加工材料的过程中，只有在第一脉冲信号与第二脉冲信号同时作用时，激光器发光，且激光器此时的功率最高。而在只有第一脉冲信号时，激光器只处于预热状态，不会对加工材料造成影响。从而能够避免因功率不高影响加工效率，并造成加工材料加工边缘烧焦炭化的现象。此外还提供一种激光能量控制系统。

Description

激光能量控制方法和系统

技术领域

本发明涉及激光能量控制，特别是涉及一种高效、高功率的激光能量控制方法和系统。

背景技术

在目前的激光能量控制中，一般的控制方法是调制脉冲输出时激光器开始发光，调制脉冲结束时激光器停止发光。整个激光器发光周期内的激光功率很低，需要重复在一个位置加工，导致加工材料加工边缘烧焦炭化，满足不了不断进步的加工工艺要求。如附图1所示，发光周期中包含高斯光能量上升速度缓慢的开始阶段和能量下降缓慢的停止阶段，这两个阶段在整个激光器发光周期内所占的时间比例相当大，造成了激光功率低下，严重影响加工效率，造成加工材料加工边缘烧焦炭化。

发明内容

基于此，有必要提供一种高效、高功率的激光能量控制方法。

一种激光能量控制方法，包括以下步骤：

向激光器输出第一脉冲信号，使所述激光器处于预热状态；

在经过延迟时间t后，向所述激光器输出第二脉冲信号，所述激光器开始发光；

在经过发光时间t₂后，停止向所述激光器输出第二脉冲信号，使所述激光器处于预热状态；

在经过预热时间t₁后，停止向所述激光器输出第一脉冲信号；其中，t₁＝2t+t₂；所述第一脉冲信号与所述第二脉冲信号的频率f、周期T相同，预热状态为所述激光器积聚能量的状态。

在其中一个实施例中，所述第一脉冲信号的占空比δ₁＝t₁/T*100％。

在其中一个实施例中，所述第二脉冲信号的占空比δ₂＝t₂/T*100％。

在其中一个实施例中，所述第一脉冲信号相对所述第二脉冲信号上升沿和下降沿的延迟时间均为t。

在其中一个实施例中，所述激光器在同时接收到第一脉冲信号与第二脉冲信号时发光。

上述激光能量控制方法通过第一脉冲信号对激光器进行预热，使激光器积聚能量。然后再对激光器输出第二脉冲信号，使得激光器的能量积聚达到“雪崩”效应，即激光器开始发光。而在停止输出第二脉冲信号时，激光器的能量减弱，停止发光。因此，在加工材料的过程中，只有在第一脉冲信号与第二脉冲信号同时作用时，激光器发光，且激光器此时的功率最高，能在印刷电路板基材上形成“爆炸”式的材料气化加工效果。而在只有第一脉冲信号时，激光器只处于预热状态，不会对加工材料造成影响。从而能够避免因功率不高影响加工效率，并造成加工材料加工边缘烧焦炭化的现象。

此外还提供一种高效、高功率的激光能量控制系统。

一种激光能量控制系统，包括工控机单元、激光控制单元及激光器单元；所述激光控制单元分别连接所述工控机单元及所述激光器单元；所述激光控制单元用于向所述激光器单元输出第一脉冲信号，使所述激光器单元处于预热状态；所述工控机单元用于在经过延迟时间t后，向所述激光控制单元发出控制指令，使所述激光控制单元向所述激光器单元在持续t₂时间内输出第二脉冲信号，所述激光器单元发光；所述工控机单元还用于在经过预热时间t₁后，向所述激光控制单元发出控制指令，使所述激光控制单元停止向所述激光器单元输出第一脉冲信号；其中，t₁＝2t+t₂；所述第一脉冲信号与所述第二脉冲信号的频率f、周期T相同，预热状态为所述激光器积聚能量的状态。

在其中一个实施例中，所述第一脉冲信号的占空比δ₁＝t₁/T*100％。

在其中一个实施例中，所述第二脉冲信号的占空比δ₂＝t₂/T*100％。

在其中一个实施例中，所述第一脉冲信号相对所述第二脉冲信号上升沿和下降沿的延迟时间均为t。

在其中一个实施例中，所述激光器在同时接收到第一脉冲信号与第二脉冲信号时发光。

上述激光能量控制系统通过第一脉冲信号对激光器单元进行预热，使激光器单元积聚能量。然后再对激光器单元输出第二脉冲信号，使得激光器单元的能量积聚达到“雪崩”效应，即激光器单元开始发光。而在停止输出第二脉冲信号时，激光器单元的能量减弱，停止发光。因此，在加工材料的过程中，只有在第一脉冲信号与第二脉冲信号同时作用时，激光器单元发光，且激光器单元此时的功率最高，能在印刷电路板基材上形成“爆炸”式的材料气化加工效果。而在只有第一脉冲信号时，激光器单元只处于预热状态，不会对加工材料造成影响。从而能够避免因功率不高影响加工效率，并造成加工材料加工边缘烧焦炭化的现象。

附图说明

图1为传统激光能量控制方法的脉冲周期图；

图2为一实施例的激光能量控制方法的流程图；

图3为激光能量控制方法的脉冲周期图；

图4为激光能量控制系统的模块图。

具体实施方式

如图2所示，为激光能量控制方法的流程图。

一种激光能量控制方法，包括以下步骤：

步骤S110，向激光器输出第一脉冲信号，使所述激光器处于预热状态。

第一脉冲信号的占空比δ₁＝t₁/T*100％。

步骤S120，在经过延迟时间t后，向所述激光器输出第二脉冲信号，所述激光器开始发光。

第二脉冲信号的占空比δ₂＝t₂/T*100％。

步骤S130，在经过发光时间t₂后，停止向所述激光器输出第二脉冲信号，使所述激光器处于预热状态。

步骤S140，在经过预热时间t₁后，停止向所述激光器输出第一脉冲信号；其中，t₁＝2t+t₂；所述第一脉冲信号与所述第二脉冲信号的频率f、周期T相同，预热状态为所述激光器积聚能量的状态。

在本实施例中，激光器发出红外激光光束。

延迟时间t可以随两路脉冲调制信号周期不同而变化，延迟时间t与两路脉冲调制信号的关系是固定的。

第一脉冲信号相对所述第二脉冲信号上升沿和下降沿的延迟时间均为t。

激光器在同时接收到第一脉冲信号与第二脉冲信号时发光。

现有的激光器发光方式为：在激光器是以CO₂气体为媒介的射频激光器中，CO₂气体属于惰性化学物质，化学性质稳定，收到外部高频激励时，开始活跃，产生“雪崩”式的能量释放，发出激光，发光持续时间为t₁₁。当高频激励结束时停止发光，整个发光周期内的红外激光光束功率为P₁。

而在本实施例中，激光器接收到外部输入信号第一脉冲信号Laser-1时(第一脉冲信号Laser-1由低电平0翻转为高电平1)并不立即发光，而是处于“预热”状态，即一种假发光状态。此时激光腔内能量不断累积，只有当激励达到一定程度，内部能量积聚到可以产生质变式的“雪崩”效应，也即当收到外部输入信号第二脉冲信号Laser-2时(第二脉冲信号Laser-2由低电平0翻转为高电平1)开始发光。整个能量积聚消耗的时间为t，发光持续时间为t₂。外部输入信号第二脉冲信号Laser-2结束时(第二脉冲信号Laser-2由低电平1翻转为高电平0)停止发光。进入假发光状态，直到外部输入信号第一脉冲信号Laser-1结束时(第一脉冲信号Laser-1由低电平1翻转为高电平0)，一个发光周期完成。红外激光光束功率为P₂。两种不同控制方法得到的红外激光光束功率关系为P₂>>P₁(两种不同控制方法出光时第一脉冲信号Laser-1的周期T相同，占空比δ相同)。因而，能够提高激光的加工功率，避免了因加工功率强度不够而造成加工材料的加工边缘烧焦炭化，从而实现激光能量的控制。

其中，S为高斯光束面积，激光加工功率的计算公式如下：P＝S/t。

上述激光能量控制方法通过第一脉冲信号对激光器进行预热，使激光器积聚能量。然后再对激光器输出第二脉冲信号，使得激光器的能量积聚达到“雪崩”效应，即激光器开始发光。而在停止输出第二脉冲信号时，激光器的能量减弱，停止发光。因此，在加工材料的过程中，只有在第一脉冲信号与第二脉冲信号同时作用时，激光器发光，且激光器此时的功率最高，能在印刷电路板基材上形成“爆炸”式的材料气化加工效果。而在只有第一脉冲信号时，激光器只处于预热状态，不会对加工材料造成影响。从而能够避免因功率不高影响加工效率，并造成加工材料加工边缘烧焦炭化的现象。

如图4所示，为激光能量控制系统的模块图。

一种激光能量控制系统，包括工控机单元210、激光控制单元212及激光器单元214；所述激光控制单元212分别连接所述工控机单元210及所述激光器单元214；所述激光控制单元212用于向激光器单元214输出第一脉冲信号，使所述激光器单元214处于预热状态；所述工控机单元210用于在经过延迟时间t后，向所述激光控制单元212发出控制指令，使所述激光控制单元212向所述激光器单元214在持续t₂时间内输出第二脉冲信号，所述激光器单元214发光；所述工控机单元210还用于在经过预热时间t₁后，向所述激光控制单元212发出控制指令，使所述激光控制单元212停止向所述激光器单元214输出第一脉冲信号；其中，t₁＝2t+t₂；所述第一脉冲信号与所述第二脉冲信号的频率f、周期T相同，预热状态为所述激光器积聚能量的状态。

激光能量控制系统还包括直流电源单元216，直流电源单元216同时连接激光控制单元212与激光器单元214，用于为激光控制单元212与激光器单元214供电。

在本实施方式中，直流电源单元216供给激光器单元214的是电源为48V的直流。供给激光控制单元212的是电压为5V的直流电源。在其它实施方式中，供给激光控制单元212可以是电压为10V、12V或24V等直流电源。

第一脉冲信号的占空比δ₁＝t₁/T*100％。

第二脉冲信号的占空比δ₂＝t₂/T*100％。

第一脉冲信号相对所述第二脉冲信号上升沿和下降沿的延迟时间均为t。

激光器单元214在同时接收到第一脉冲信号与第二脉冲信号时发光。

基于上述实施例，激光能量控制系统的工作原理如下：

工控机单元210执行算法程序命令，激光控制单元212执行发光指令，激光控制单元212收到发光命令后向激光器单元214先后发出两路脉冲调制信号(第一脉冲信号Laser-1和第二脉冲信号Laser-2)。激光器单元214接收到外部输入信号第一脉冲信号Laser-1时(第一脉冲信号Laser-1由低电平0翻转为高电平1)并不立即发光，而是处于“预热”状态，一种假发光状态。此时激光腔内能量不断累积，只有当激励达到一定程度，内部能量积聚到可以产生质变式的“雪崩”效应。也即当收到外部输入信号第二脉冲信号Laser-2时(第二脉冲Laser-2由低电平0翻转为高电平1)开始发光。整个能量积聚消耗的时间为t，发光持续时间为t₂，外部输入信号第二脉冲信号Laser-2结束时(第二脉冲信号Laser-2由低电平1翻转为高电平0)停止发光，进入假发光状态。直到外部输入信号第一脉冲信号Laser-1结束时(第一脉冲信号Laser-1由低电平1翻转为高电平0)，一个发光周期完成。

综上所述，激光能量控制系统实现了激光器单元214接收到外部输入脉冲调制信号Laser-1时，激光腔内能量不足以产生质变式的“雪崩”效应，激光器单元214处于“预热”状态，不发光；当经过延迟时间t，激光器单元214接收到外部输入脉冲调制信号Laser-2时，激光腔内能量积聚到能够产生质变式“雪崩”，开始发光。从而实现了脉冲调制信号对激光光束能量的控制，同时也提高了激光光束的功率大小，提升了加工效率，有效的避免了加工材料加工边缘烧焦炭化。

上述激光能量控制系统通过第一脉冲信号对激光器单元进行预热，使激光器单元积聚能量。然后再对激光器单元输出第二脉冲信号，使得激光器单元的能量积聚达到“雪崩”效应，即激光器单元开始发光。而在停止输出第二脉冲信号时，激光器单元的能量减弱，停止发光。因此，在加工材料的过程中，只有在第一脉冲信号与第二脉冲信号同时作用时，激光器单元发光，且激光器单元此时的功率最高，能在印刷电路板基材上形成“爆炸”式的材料气化加工效果。而在只有第一脉冲信号时，激光器单元只处于预热状态，不会对加工材料造成影响。从而能够避免因功率不高影响加工效率，并造成加工材料加工边缘烧焦炭化的现象。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (2)

1.一种激光能量控制方法，包括以下步骤：

向激光器输出第一脉冲信号，使所述激光器处于预热状态；

在经过延迟时间t后，向所述激光器输出第二脉冲信号，所述激光器开始发光；

在经过发光时间t₂后，停止向所述激光器输出第二脉冲信号，使所述激光器处于预热状态；

在经过预热时间t₁后，停止向所述激光器输出第一脉冲信号；其中，t₁＝2t+t₂；所述第一脉冲信号与所述第二脉冲信号的频率f、周期T相同，预热状态为所述激光器积聚能量的状态；所述第一脉冲信号的占空比δ₁＝t₁/T*100％；所述第二脉冲信号的占空比δ₂＝t₂/T*100％；

延迟时间t随两路脉冲调制信号周期不同而变化，延迟时间t与两路脉冲调制信号的关系是固定的；

激光器在同时接收到第一脉冲信号与第二脉冲信号时发光；所述第一脉冲信号相对所述第二脉冲信号上升沿和下降沿的延迟时间均为t；所述激光器在同时接收到第一脉冲信号与第二脉冲信号时发光；

激光器接收到外部输入信号第一脉冲信号Laser-1时并不立即发光，而是处于“预热”状态，其中，第一脉冲信号Laser-1由低电平0翻转为高电平1，此时激光腔内能量不断累积，只有当激励达到一定程度，内部能量积聚到可以产生质变式的“雪崩”效应，当收到外部输入信号第二脉冲信号Laser-2时开始发光，第二脉冲信号Laser-2由低电平0翻转为高电平1；整个能量积聚消耗的时间为t，发光持续时间为t₂；外部输入信号第二脉冲信号Laser-2结束时停止发光，其中，第二脉冲信号Laser-2由高电平1翻转为低电平0，进入假发光状态，直到外部输入信号第一脉冲信号Laser-1结束时，其中，第一脉冲信号Laser-1由高电平1翻转为低电平0，一个发光周期完成。

2.一种激光能量控制系统，其特征在于，包括工控机单元、激光控制单元及激光器单元；所述激光控制单元分别连接所述工控机单元及所述激光器单元；所述激光控制单元用于向所述激光器单元输出第一脉冲信号，使所述激光器单元处于预热状态；所述工控机单元用于在经过延迟时间t后，向所述激光控制单元发出控制指令，使所述激光控制单元向所述激光器单元在持续t₂时间内输出第二脉冲信号，所述激光器单元发光；所述工控机单元还用于在经过预热时间t₁后，向所述激光控制单元发出控制指令，使所述激光控制单元停止向所述激光器单元输出第一脉冲信号；其中，t₁＝2t+t₂；所述第一脉冲信号与所述第二脉冲信号的频率f、周期T相同，预热状态为所述激光器积聚能量的状态；所述第一脉冲信号的占空比δ₁＝t₁/T*100％；所述第二脉冲信号的占空比δ₂＝t₂/T*100％；

延迟时间t随两路脉冲调制信号周期不同而变化，延迟时间t与两路脉冲调制信号的关系是固定的；

激光器在同时接收到第一脉冲信号与第二脉冲信号时发光；所述第一脉冲信号相对所述第二脉冲信号上升沿和下降沿的延迟时间均为t；所述激光器在同时接收到第一脉冲信号与第二脉冲信号时发光；

激光器接收到外部输入信号第一脉冲信号Laser-1时并不立即发光，而是处于“预热”状态，其中，第一脉冲信号Laser-1由低电平0翻转为高电平1，此时激光腔内能量不断累积，只有当激励达到一定程度，内部能量积聚到可以产生质变式的“雪崩”效应，当收到外部输入信号第二脉冲信号Laser-2时开始发光，第二脉冲信号Laser-2由低电平0翻转为高电平1；整个能量积聚消耗的时间为t，发光持续时间为t₂；外部输入信号第二脉冲信号Laser-2结束时停止发光，其中，第二脉冲信号Laser-2由高电平1翻转为低电平0，进入假发光状态，直到外部输入信号第一脉冲信号Laser-1结束时，其中，第一脉冲信号Laser-1由高电平1翻转为低电平0，一个发光周期完成。