具有多级能量监控和能量校正功能的激光器控制方法与流程

1.本发明涉及激光器能量校正控制技术领域，具体为具有多级能量监控和能量校正功能的激光器控制方法。


背景技术：

2.主振荡放大（mopa）结构的高能量固体激光器，具有光束质量高，能量大的特点，在工业、医疗、科研等领域都有较好的应用前景。
3.此类激光器的种子源部分可将特定光学参数的激光注入多级放大系统中，经多级放大后，可在保证波长、脉冲宽度、光束质量等重要参数不变的前提下，将种子源的激光能量放大至一千倍以上并输出。在输出位置增加可移动的倍频模块，可以实现多波长输出。
4.但是，目前现有的激光器自身结构就普遍存在：1.输出能量稳定性较差mopa结构的固体激光器由于有较复杂的多级放大结构且包含倍频模块，光束需在激光器内部多次被放大，每级放大的效果均会对激光器最终输出的光束造成影响。目前此类激光器能量控制均为开环系统，对激光器内部各个部分的能量无法实现实时监控和调整。造成激光输出稳定性较差。
5.2.输出能量衰减此类激光器中多种器件存在长期使用效率衰减的问题，由于无法监控各位置的能量，无法定位衰减的器件并调整参数。因此整机输出能量长期使用时也会存在衰减的情况。


技术实现要素：

6.针对现有技术存在的不足，本发明目的是提供具有多级能量监控和能量校正功能的激光器控制方法，通过提出构建能量实时监控的方式，当激光器中某一处光电探头监测到能量降低，并将能量信号传送给能量系统控制单元时，能量系统控制单元可实时调整参数，极大降低激光器的能量波动，提高输出能量稳定性。以解决上述背景技术中提出的问题。
7.为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：具有多级能量监控和能量校正功能的激光器控制方法，其特征在于：包括：激光器能量控制单元，以及基于接收激光器能量控制单元反馈信号，对目标激光器进行驱动控制的系统控制单元，具体包括以下步骤：对获取的目标激光器的入射激光的实时光束能量值进行多级放大，输出在当前光照强度节点下目标激光器内部各个监控位置的的能量偏差值；根据种子源实时输入激光能量偏差值以及输出激光能量偏差值对目标激光器内的泵浦源放电电压v
p
进行动态修正，以对目标激光器进行能量调节，得到稳定的输出激光能量；
根据目标激光器内部各个监控位置的能量偏差值，实现故障定位。
8.作为对本发明中所述具有多级能量监控和能量校正功能的激光器控制方法的改进，获取能量偏差值的具体方式为：s1、构建能量监测函数s1-1、对当前光照强度下节点的实时光束能量值e进行等级划分，根据光电传感器的光束能量值e对应其反向电流值i拟合曲线，确定经能量等级划分后形成的能量值中的n个分组中的每个分组的能量值信息（en，in），其中，n为正整数，表示组别， en表示第n组的光束能量值，in表示第n组的反向电流值；s1-2、根据n个分组的能量值信息，确定光束能量值e和反向电流值i映射关系集合{e0,e1,
…en-1
};{i0,i1,
…
,i
n-1
}，所述光电传感器搭建于目标激光器能量控制单元内部；s1-3、基于获取的映射关系集合，建立所述光束能量值e和反向电流值i的映射关系函数：s2、建立目标激光器的能量偏差值公式式中，表示为目标激光器实时光束的能量偏差值；表示系统控制单元在接收到目标激光器能量控制单元反馈信号后计算得到的激光能量值；表示系统控制单元设定的激光能量值；s3、计算各个监控位置的激光能量偏差值，代入每个监控位置处的光电传感器所采集的反向电流值，得到各个监控位置处的光电传感器的激光能量偏差值。
9.作为对本发明中所述具有多级能量监控和能量校正功能的激光器控制方法的改进，自定义目标激光器种子源输出监控位置的能量值为，为目标激光器种子源输出监控位置的能量偏差值，为目标激光器种子源输出监控位置的系统控制单元设定的能量值，则根据种子源实时输入激光能量偏差值以及输出激光能量偏差值对目标激光器内
的种子源的泵浦电流进行动态修正的具体实施方式为：当，将目标激光器的种子源的泵浦电流减小0.1，同时目标激光器持续输出能量到光电传感器中；将与进行比对：若≠时，继续减小 ；若 =时，保存种子源泵浦电流停止自动校准；当，将种子源的泵浦电流增大0.1，同时激光器持续输出能量到光电传感器中；将光电传感器探测到的种子源实时输出能量值与种子源默认输出能量值进行比对：若≠时，继续增大 ；若 =时，保存种子源泵浦电流停止自动校准；当，停止自动校准。
10.作为对本发明中所述具有多级能量监控和能量校正功能的激光器控制方法的改进，自定义目标激光器种子源输入监控位置的能量值记为，为目标激光器种子源输入监控位置的能量偏差值，为目标激光器种子源输入监控位置的系统控制单元设定的能量值，则根据种子源实时输入激光能量偏差值对目标激光器内的泵浦源放电电压v
p
进行动态修正的具体实施方式为：当，且激光器能量控制单元将目标激光器内的泵浦源放电电压v
p 值减小10，同时目标激光器持续输出能量到激光器能量控制单元中的传感器中；将传感器探测到的能量与系统控制单元设定的能量值进行比对：若≠时，继续减小vp ；若 =时，停止调整；当，且，激光器能量控制单元将目标激光器内的泵浦源放电电压v
p 值增加10，同时目标激光器持续输出能量到光电传感器中；将光电传感器探测到的能量与设置能量：若≠时，继续增加v
p ；若 =时，停止调整；当当,激光器能量控制单元停止能量调节。
11.作为对本发明中所述具有多级能量监控和能量校正功能的激光器控制方法的改进，根据各个监控位置的能量偏差值，实现故障定位的具体实施方式为：自定义目标激光器种子源各个监控位置的能量值记为，为目标激光器种子源各个监控位置的能量偏差值，为目标激光器种子源各个监控位置的系统控制单元设定的能量值，则，基于目标激光器，当，判定为读数正常；反之，读数异常。
12.进一步的，步骤s1-1中，n取10。
13.与现有技术相比，本发明的有益效果：
1、为解决现有技术中，激光器中各部分受温度，湿度，振动等外部因素影响，存在工作不稳定的情况，现有技术对激光器的能量无法做到实时监测，激光器的输出能量存在能量波动的问题，本发明提出能量实时监控的方式，当激光器中某一处光电探头监测到能量降低，并将能量信号传送给能量控制系统时，能量控制系统可实时调整参数，极大降低激光器的能量波动，提高输出能量稳定性；2、为解决现有技术中，激光器长期高强度工作，内部的器件出现性能衰减，如果没有专业人员进行人工校准和调试，会导致激光器输出能量降低，无法达到激光器标定的性能指标的问题，本发明提出构建能量检测和能量控制系统的方式，在发现激光能量降低，使用效果不好时，可以运行自校正程序，将当前激光器的能量输出特性与出厂时保存的输出特性进行比对、校准，保证激光器可以按标定的参数输出能量；3、为解决现有技术中，当激光器出现故障无法正常输出光束时，定位激光器内部的故障点难度大，需要拆开激光器进行检修的问题，本发明通过检查激光器内部各个部分的能量值，有效定位激光器内部的故障点，极大提高售后维修的效率，降低维修成本。
附图说明
14.参照附图来说明本发明的公开内容。应当了解，附图仅仅用于说明目的，而并非意在对本发明的保护范围构成限制，在附图中，相同的附图标记用于指代相同的部件。其中：图1为本发明一实施例中所提出的激光器能量控制单元与系统控制单元之间数据交互的系统结构示意图；图2为本发明一实施例中所提出的能量实时监测系统的构建结构示意图；图3为本发明一实施例中所提出的对目标激光器内的泵浦源放电电压v
p
进行动态修正，实现目标激光器稳定输出激光能量的时序步骤流程示意图；图4为本发明一实施例中所提出的对种子源入射激光能量进行动态修正，实现目标激光器稳定输出激光能量的时序步骤流程示意图。
15.附图标记说明：1a-第一分光镜、1b-第一光电传感器、2a-第二分光镜、2b-第二光电传感器、3a-第三分光镜、3b-第三光电传感器、4a-第四分光镜、4b-第四光电传感器、5a-第五分光镜、5b-第五光电传感器、6a-第六分光镜、6b-第六光电传感器；7-种子源、8-隔离器、9-扩束透镜组、10-偏振分束镜、11-一级激光晶体、12-泵浦源、13-二级激光晶体、14-光束整形器、15-二次谐波模块、16-偏正片。
具体实施方式
16.容易理解，根据本发明的技术方案，在不变更本发明实质精神下，本领域的一般技术人员可以提出可相互替换的多种结构方式以及实现方式。因此，以下具体实施方式以及附图仅是对本发明的技术方案的示例性说明，而不应当视为本发明的全部或者视为对本发明技术方案的限定或限制。
17.以下结合附图对本发明作近一步详细说明，但不作为对本发明的限定。
18.作为对本发明技术构思以及实现原理的理解，现有技术中，mopa结构的固体激光器由于有较复杂的多级放大结构且包含倍频模块，光束需在激光器内部多次被放大，每级
放大的效果均会对激光器最终输出的光束造成影响。目前此类激光器能量控制均为开环系统，对激光器内部各个部分的能量无法实现实时监控和调整。造成激光输出稳定性较差。
19.为此，为实现上述技术构思，以及解决现有的技术方案缺陷。
20.作为本发明的一实施例，提出具有多级能量监控和能量校正功能的激光器控制方法，包括：激光器能量控制单元，对获取的目标激光器的入射激光进行多级放大，得到在当前光照强度节点下种子源入射激光输出的能量偏差值；并根据获取的能量偏差值对目标激光器内的泵浦源放电电压进行动态修正，以对目标激光器进行能量调节，得到稳定的输出激光能量；以及基于接收激光器能量控制单元反馈信号，对目标激光器的种子源进行驱动控制的系统控制单元。
21.如图1所示，基于上述技术构思，需要说明的是，系统控制单元接收激光器能量控制单元反馈信号，输出稳定激光能量的具体实施方式为：s1、构建能量监测函数，可以理解的是，光电传感器一般选用铟砷化镓(ingaas)光电二极管（photo diode）其工作原理是：有一定强度的光束照射在其治疗面上时，反向电流迅速增大到几十微安， 反向电流值与入射光能量为正比关系，通过构建反向电流和分光镜反射的光束能量之间的函数关系，达到实时能量检测的目的，为此，构建能量监测函数的具体思路为：分别测量分光镜反射的光束能量e（e在激光能量和传感器电流信号对应关系式中表示激光能量。不针对激光器中某一部分（如种子源）的能量。此处为通用公式，激光器中所有传感器的电流信号均由此公式转换为对应的能量值）；光电二极管（光电传感器）的反向电流值i，光束能量由低到高，即：s1-1、对当前光照强度下节点的实时光束能量值e进行等级划分，根据光电传感器的光束能量值e对应其反向电流值i拟合曲线，确定经能量等级划分后形成的能量值中的n个分组中的每个分组的能量值信息（en，in），其中，n为正整数，表示组别， en表示第n组的光束能量值，in表示第n组的反向电流值；需要说明的是，光电传感器的光束能量值e对应其反向电流值i拟合曲线经由逐步递增光束能量，测得对应光电传感器反向电流拟合形成，精度越高，需要测定的次数越多。
22.s1-2、根据n个分组的能量值信息，确定光束能量值e和反向电流值i映射关系集合{e0,e1,
…en-1
};{i0,i1,
…
,i
n-1
}，所述光电传感器搭建于目标激光器能量控制单元内部；s1-3、基于获取的映射关系集合，建立所述光束能量值e和反向电流值i的映射关系函数：
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（1）需要说明的是，当光束能量与二极管反向电流值符合严格的线性一次函数关系时，也可以选择使用简便方式构建一次函数，计算方式如下：
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（2）s2、建立目标激光器的能量偏差值公式式中，表示为目标激光器实时光束的能量偏差值；表示系统控制单元在接收到目标激光器能量控制单元反馈信号后计算得到的激光能量值；表示系统控制单元设定的激光能量值；s3、根据计算各个监控位置的激光能量偏差值，每个监控位置处的光电传感器所采集的反向电流值，代入公式（1）和（3）得到各个监控位置的激光能量偏差值。
23.如图3所示，自定义目标激光器种子源输入监控位置的能量值记为，为目标激光器种子源输入监控位置的能量偏差值，为目标激光器种子源输入监控位置的系统控制单元设定的能量值，则计算偏差值的具体方式为：
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（4）根据种子源实时输入激光能量偏差值对目标激光器内的泵浦源放电电压v
p
进行动态修正的具体实施方式为：当，且激光器能量控制单元将目标激光器内的泵浦源放电电压v
p 值减小10，同时目标激光器持续输出能量到激光器能量控制单元中的传感器中；将传感器探测到的能量与系统控制单元设定的能量值进行比对：若≠时，继续减小vp ；若 =时，停止调整；当，且，激光器能量控制单元将目标激光器内的泵浦源放电电压v
p 值增加10，同时目标激光器持续输出能量到光电传感器中；将光电传感器探测到的能量与设置能量：若≠时，继续增加v
p ；若 =时，停止
调整；当当,激光器能量控制单元停止能量调节。
24.在本发明的一实施例中，在基于步骤s1得到入射激光的能量e和反向电流值i映射关系后，自定义目标激光器种子源输出监控位置的能量值为，为目标激光器种子源输出监控位置的能量偏差值，为目标激光器种子源输出监控位置的系统控制单元设定的能量值，则还需要根据种子源实时输出激光能量偏差值对目标激光器内的种子源的泵浦电流进行动态修正，以对种子源入射激光能量进行动态修正，可以理解的是，第一光电传感器1b检测到种子源能量的发出电流信号，带入激光能量和传感器电流信号对应关系式中得到能量e，此时种子源能量q=e。进行动态修正具体实施方式为：计算偏差值计算偏差值
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（5）如图4所示，在具体实施时，当，将目标激光器的种子源的泵浦电流减小0.1，同时目标激光器持续输出能量到光电传感器中；将与进行比对：若≠时，继续减小 ；若 =时，保存种子源泵浦电流停止自动校准；当，将种子源的泵浦电流增大0.1，同时激光器持续输出能量到光电传感器中；将光电传感器探测到的种子源实时输出能量值与种子源默认输出能量值进行比对：若≠时，继续增大 ；若 =时，保存种子源泵浦电流停止自动校准；当，停止自动校准。
25.如图2所示，作为本发明的一实施例，为实现目标激光器稳定输出激光能量，提出构建能量实时监测系统，其构建及监测原理为：当种子源7输出激光到入射角度为45
°
透反比为0.1:99.9的第一分光镜1a，透射部分穿过镜片后由第一光电传感器1b接收，并转换为电信号传送给能量控制系统，此传感器监控种子源能量，当第一光电传感器1b接收到的能量减弱时，能量控制系统可根据情况，调整种子源输出能量。
26.当反射光束经过隔离器8后，照射到入射角度为45
°
，透射反射比为0.1:99.9的第二分光镜2a，投射光束被第二光电传感器2b接收，并转换为电信号传送给能量控制系统；此传感器监控隔离器8透光效率。
27.扩束透镜组9由多片曲率不同的透镜组成，可将输入光束直径放大后输出。
28.偏振分束镜10可允许垂直方向偏振光通过，水平方向偏振光被反射；光束通过第一级放大后照射到入射角度为90
°
，透反比为0.1:99.9的第三分光镜3a，入射光透过镜片的部分输入第三光电传感器3b中，并转换为电信号传送给能量控制系统；此传感器监控光束第一次放大后的能量，当第三光电传感器3b接收到的能量衰减时，能量控制系统可以根据
情况调整第一级放大的相关参数。
29.光束往返两次经过λ=1/4π的波片，基于偏正片16偏振方向被偏转1/2π，返回激光晶体内进行第二次放大，放大后经过偏振分束镜10和入射角度为45
°
，透反比为0.1:99.9的第四分光镜4a，透射部分的光束输入第四光电传感器4b中，并转换为电信号传送给能量控制系统；此传感器监控光束第二次放大后的能量。
30.当第三光电传感器3b接收到的能量衰减时，能量控制系统可以根据情况调整第二次放大的相关参数；反射光进入二级激光晶体13，进行第三次放大，光束整形器14可由一组或多组透镜组成，可按需求调整光束能量分布、传播方式、光斑模式等。
31.光束整形后照射至入射角度为45
°
，透射反射比为0.1:99.9的第五分光镜5a上，透射部分的光束输入第五光电传感器5b中，并转换为电信号传送给能量控制系统。
32.当激光器切换到不启用二次谐波模块15状态时，此传感器监测激光器整机输出激光能量。当激光器切换到启用二次谐波模块15状态时，此传感器监测二次谐波前基频激光的能量。
33.可以理解的是，在具体实施时，二次谐波模块15、第六分光镜6a、第六光电传感器6b三部分安装在一块可以整体移动的结构上，当激光器切换到不启用二次谐波模块15状态时，这三部分整体移动，离开光路，当激光器切换到启用二次谐波模块15状态时，这三部分整体移动到光路中。其中，第六分光镜6a入射角度为45
°
，透射反射比为0.1:99.9，透射部分光束输入至第六光电传感器6b并转换为电信号传送给能量控制系统，当激光器切换到不启用二次谐波模块15状态时，此传感器不启用。当激光器切换到启用二次谐波模块15状态时，此传感器监测监测激光器整机输出激光能量。
34.基于上述技术构思，需要说明的是，在本发明提出的构建能量实时监测系统实施例中，传感器的数量和位置可以根据激光器内部光路结构的不同，做出不同的安排，例如有更多放大级的激光器，为了监控每一级的能量，需要安装更多的光电传感器。同时，分光镜也可以选择背面抛光的反射镜，即，通过将背面抛光的反射镜背面漏光输入到光电传感器，也可以实现能量监控。
35.在本发明的实施例中，考虑到现有技术方案是开环控制系统，即，当能量发生偏移时，设备无法侦测和自行修正，操作者在无意识的情况下，可能给患者造成灼伤或过度治疗，引发严重的并发症或医疗事故的问题，故而，本发明采用输出能量闭环反馈控制系统设计，设备每次从待机转换到就绪之前，都启动输出能量检查，而当侦测到能量发生偏移时，立即启动能量自修正机制进行自我修正，使得本发明具备输出能量更加稳定，治疗过程更加安全，避免给患者造成非预期的伤害发生的优点。
36.为此，在本发明的一实施例中，本发明提出与系统控制单元连接以实现在激光器故障时进行故障点定位的激光器故障定位单元。
37.在具体的实施时，激光器故障定位单元进行故障点定位的具体方式为：根据各个监控位置的能量偏差值，实现故障定位的具体实施方式为：自定义目标激光器种子源各个监控位置的能量值记为，为目标激光器种子源各个监控位置的能量偏差值，为目标激光器种子源各个监控位置的系统控制单元设定的能量值，则，
基于目标激光器，当，判定为读数正常；反之，读数异常。
38.基于上述技术构思，需要说明的是，在具体实施时，根据各传感器读数是否正常，可参考以下表1，快速定位激光器内部的故障点的步骤为：1）激光器出现故障时，读取全部6个光电传感器检测到的能量读数：如下表2所示：2）将读取到的6个能量值，与参考能量值进行对比计算，得到各传感器的能量偏差量，如下表3所示：3）根据偏差量的数值，判定各传感器检测位置读数是否正常，如下表4所示：4）根据各传感器的读数状态，查找表格中对应的项目；5）可以判定，此情况下激光器的一级激光晶体11或泵浦源12出现故障。
39.可以理解的是，解决现有技术中，当激光器出现故障无法正常输出光束时，定位激光器内部的故障点难度大，需要拆开激光器进行检修的问题，本发明通过检查激光器内部各个部分的能量值，有效定位激光器内部的故障点，极大提高售后维修的效率，降低维修成本。
40.作为本发明的第二方面，提出具有能量校正及光斑调节功能的激光器控制系统，可应用于实现目标激光器光斑形状的自适应调节，其包括：
激光器能量控制单元，对获取的种子源入射激光进行多级放大，得到在当前光照强度节点下种子源入射激光输出的能量偏差值；并根据获取的能量偏差值对目标激光器内的泵浦源放电电压进行动态修正，以对目标激光器进行能量调节，得到稳定的输出激光能量；系统控制单元，接收激光器能量控制单元反馈信号后，通过能量驱动控制单元对目标激光器的种子源进行驱动控制；光路转向单元，将经由激光器能量控制单元发送并输出的激光能量转化为光信号后，分别反射至激光能量自校正单元及光路传输单元；光路传输单元，根据获取的光信号生成用于表征目标激光器输出激光能量强度的i/o高低电平信号，并反馈至系统控制单元，以实现对目标激光器光斑形状的调节；激光能量自校正单元，将采集到光信号转换为电压信号后反馈至系统控制单元，以设置目标激光器输出激光能量的脉冲宽度，对经由光路转向单元发送并输出的光信号的进行动态校正，实现目标激光器光斑形状的自适应调节。
41.本发明的技术范围不仅仅局限于上述说明中的内容，本领域技术人员可以在不脱离本发明技术思想的前提下，对上述实施例进行多种变形和修改，而这些变形和修改均应当属于本发明的保护范围内。