一种用于激光清洗的多支路微秒级激光器驱动电源及控制技术的研究*

刘继男郑 华孙艳鹤方 媛铁 军范纯钰张成兵

(1.国网辽宁省电力有限公司检修分公司，辽宁沈阳 110000；2.华北电力大学，北京 102206；3.沈阳经济技术开发区热电有限公司，辽宁沈阳 110000；4.北京中科创世科技发展有限公司，北京 100084)

激光清洗技术是近十年来飞速发展的一种新型清洗技术，它以自身的优势和不可替代性，在许多领域中逐步取代了传统清洗工艺[1]。与传统清洗相比，激光清洗具有非接触、无损伤、清洗效率高、清洁质量好、绿色无污染的优点，是一种绿色的清洗方法。在激光清洗的过程中，激光照射到工件表面，并与物质发生物理化学作用，剥离基材表面污染物，其产物可以通过相应的净化装置吸收，不对加工环境造成影响，已清洗的表面反射大部分激光，不损伤基材[2]。

当前，可用于激光清洗的商品化激光器驱动电源，比较知名的国外公司的产品，如美国Wavelength公司的QCL 驱动电源、ILXlight 的LDX3200 系列驱动电源等，它们都具有窄脉冲、大电流的驱动能力(驱动脉冲窄至1 μs，驱动电流高至10 A)[3]。但是它们均只能驱动单只激光器，不具备多支激光器驱动能力。国内激光器驱动电源的科研单位以吉林大学、安徽光机所等为代表[4-5]。它们研制的驱动电源也不具备多支驱动能力。

由于被清洗对象的种类繁多，单只激光器难以达到较好的清洗效果，所以研制一种能够同时驱动多支激光器的驱动电源成为亟需。采用时分复用控制技术，研制了一种新型多支路微秒级激光器驱动电源。既测试其驱动能力，也验证了其除锈的效果，证明其在实际应用中的可行性。

1 驱动电原硬件系统设计

多支路微秒级激光器驱动电源的硬件系统由以下5 部分组成，分别为激光器时分复用信号产生模块、控制模块、高速脉冲产生模块、恒流源模块以及保护电路模块组成，如图1 所示。

图1 系统组成框图

图1 中，采用美国TI 公司浮点型32 位数字信号处理芯片(TMS320LF28335)作为控制模块核心。高速脉冲产生模块能够产生信号周期、脉冲宽度和脉冲幅值均可调的驱动信号。时分复用信号产生模块基于“时分复用”技术[6]，使各个驱动支路的驱动电流在时间上错开，达到各支路驱动电流互不影响的效果。压控恒流源模块采用运算放大器线性负反馈原理，通过调节运算放大器同相端电压实现对激光器驱动电流的控制。系统还包含保护电路模块，采用在激光器两端并联瞬态抑制二极管防止因驱动电流过大导致的击穿，以及采用静电屏蔽罩将激光器封闭防止因静电给激光器带来不可恢复的损坏。软件设计方面，对MOSFET 传输特性数据进行分段拟合，进一步提升输出电流线性度指标。

1.1 控制模块

控制模块采用美国德州仪器公司的32 位浮点数字信号处理器TMS320LF28335，其主要功能如下:(1)产生高速脉宽宽度调制(PWM)信号。(2)驱动数模转换器(DAC)产生高精度模拟信号。(3)控制激光器时分复用信号产生模块。

根据上述3 项功能，具体实现如下:(1)采用TMS320LF28335 内部事件管理器，根据驱动电流需求，可实现TTL 电平输出的PWM 信号。(2)TMS320LF28335 通过SPI 接口与16 位数模转换器LTC1655 通信，实现数字信号到模拟信号的转换。(3)TMS320LF28335 通过内部GPIO 接口，实现对激光器时分复用信号产生模块的控制。

1.2 高速脉冲产生模块

高速脉冲产生模块能够产生信号周期、脉冲宽度和脉冲幅值均可调的驱动信号。核心控制器TMS320LF28335 控制16 位DAC 产生幅值可调的电压信号输入给模拟开关，作为一路信号。模拟开关另外一路信号接地。核心控制器TMS320LF28335产生周期和占空比可调的PWM 波高速切换模拟开关2 路输入信号。由于模拟开关输出电压有限，采用放大电路对其输出信号进行放大，从而输出信号周期、脉冲宽度和脉冲幅值均可调的驱动信号。

图2 高速脉冲产生模块

1.3 时分复用信号产生模块

该模块基于“时分复用”技术，使各个驱动支路的驱动电流在时间上错开，达到各支路驱动电流互不影响的效果。

由于对多支激光器驱动各个支路采用高边MOSFET 时分复用切换方式[7]，所以需要对其进行驱动。时分复用信号产生模块如图3 所示，采用DC/DC 隔离电源模块为MOSFET 驱动芯片IR2117提供隔离电压。控制信号通过芯片IR2117 实现对MOSFET(高边)控制，达到对多支激光器驱动支路的开启/关断控制。

图3 单支路时分复用信号产生模块

1.4 压控恒流源模块

压控恒流源模块采用深度线性负反馈原理，利用输入电压来控制驱动电流，其原理框图如图4 所示。

图4 恒流源模块原理框图

由于运算放大器U1反向输入端输入阻抗无穷大，激光器驱动支路电流全部经过采样电阻R2流入地。R2产生电压需与运算放大器U1同相端脉冲输入电压保持一致(虚短)，微小电压差经过运算放大器U1放大后驱动MOSFET(Q1)，从而通过调节脉冲输入电压的幅值实现对驱动电流的控制。快速恢复二极管D1和电阻R1，组成Q1结电容快速充电与放电回路，加快驱动信号的上升/下降沿。

1.5 保护电路模块设计

保护电路模块主要防止激光器因驱动电流过大或者瞬间静电导致的不可恢复的损坏[8]。针对驱动电流过大，采用在激光器两端并联瞬态抑制二极管，当驱动电流过大时，瞬态抑制二极管导通，对激光器进行保护。对于瞬态静电方面，采用静电屏蔽罩将激光器封闭，避免静电损坏激光器。

2 驱动电源软件系统设计

由于驱动电源输出电流线性度是衡量其性能的重要指标。如前文所述，压控恒流源采用线性负反馈原理，有效地降低了MOSFET 的非线性度[9-10]。但是由于MOSFET 传输特性呈非线性，使得驱动电源仍存在非线性误差。所以在软件设计方面，对MOSFET 传输特性数据进行分段拟合，利用分段拟合函数对驱动电源输出特性进行补偿，整体上构成二阶非线性矫正，从而进一步提升输出电流线性度指标。

首先将MOSFET 连续特性曲线分离成离散的数据，再将MOSFET 特性曲线分段化，利用4 种函数模型将离散数据进行高精度拟合。4 种函数模型分别为Lorentz 函数，Logistic 函数，二阶多项式函数和E 指数函数，如表1 所示。

表1 分段拟合函数及拟合度

式中:ID为漏极电流；VGS为栅源电压。

对MOSFET 传输特性数据进行分段拟合结果如图5 所示。

图5 MOSFET 特性曲线拟合

电压VGS 从低压到高压来看。在低电压段，采用洛伦兹拟合。在中间电压段分别采用逻辑回归拟合和二阶多项式拟合。在高电压段采用E 指数拟合。各分段拟合具有极高的拟合度，最大拟合度达到99%，平均拟合度达到98.25%。

3 驱动电源性能测试

根据上述驱动电源在硬件和软件方面设计，研制的驱动电源达到以下技术指标:驱动电流幅值0～3 A，驱动电流周期0～200 μs，占空比0～100%，线性度99.97%，长期稳定度优于4×10-5。

实验中，对研制驱动电源的驱动电流波形、驱动电流线性度、驱动电流稳定度以及阵列中红外量子级联激光器(QCL)发光光谱进行了测试。

3.1 驱动电流波形

预设驱动电流为2 A，各支路驱动电流周期为200 μs，占空比为1%。4 只QCL 激光器驱动波形如图6 所示。

图6 驱动电流波形图

图6 中，圆圈部分为QCL 驱动电流的放大图，脉冲宽度为2 μs。结果显示，4 条支路驱动电流未发生串扰现象，驱动性能良好。

3.2 驱动电流线性度

由于研制的驱动电源核心部分为压控恒流源模块，其驱动电流与输入电压成线性关系。为了对驱动电源线性度进行分析，实验采用调节压控恒流源输入电压，测量QCL 驱动电流值。通过实验测量离散数据进行线性拟合，得到二者关系曲线如图7 所示。

图7 驱动电源系统线性度实验曲线

实验中，输入电压幅值范围从0 V 至9 V，驱动电流幅值范围为0 A 至3 A，对离散数据进行线性拟合，二者成线性关系，线性度达到99.97%。同时，预设电流目标值与驱动电流实际输出值的最大偏差为0.873 mA，相对偏差仅为0.04%。

3.3 驱动电流稳定度

为了验证研制的驱动电源对不同阻抗负载的驱动能力，采用与中红外QCL 激光器特性一致的假负载(阻值范围为1 Ω～10 Ω)作为被驱动对象。设置目标驱动电流为2 A，对驱动电源驱动特性进行了测试，结果如图8 所示。

图8 假负载测试结果

实验结果显示，对于驱动不同阻值的假负载(1 Ω～10 Ω)，驱动电流波动范围小，驱动电流均值(期望)为2.000 435 A，与均值偏差最大的驱动电流值为2.000 439 A，驱动电流稳定度可达到4×10-5。

3.4 阵列QCL 发光光谱测试

为了验证研制的多支路QCL 驱动电源在实际应用中的可行性，采用4 支中红外QCL 激光器作为被驱动对象(4.8 μm、7.49 μm、7.71 μm、10.7 μm)，进行了驱动测试。采用傅里叶变换红外光谱仪(Thermo Scientific Nicolet iS10)对其激射光谱进行测量，结果图9 所示。

图9 四路QCL 发光光谱图

实验表明，4 支中红外QCL 激光器在一定工作温度下，各自能够激射出各自所在中心波长的光谱。并且4 个支路之间没有交叉影响，各红外QCL 激光器均能正常工作，证明研制的驱动电源实际应用可行性。

3.5 除锈清洗试验

图10 所示为激光清洗系统示意图，包括激光器驱动电源、中心波长为10.7 μm 的QCL 激光器、红外激光专用的光束调整传输单元(包括扩束系统、振镜扫描系统和扫描聚焦系统)、监测保护装置以及位移平台单元。

激光清洗过程如图11 所示。利用研制的激光器电源驱动10.7 μm 的QCL 激光器对镀锌钢材料的腐蚀层进行照射。待照射一段时间后，腐蚀层会发生气化分解，最终将腐蚀层从基底镀锌钢材料剥离，达到清洗效果。

图10 激光清洗系统

图11 激光清洗过程

镀锌钢材料清洗效果如图12 所示。

图12 镀锌钢材料清洗效果

当激光功率较小时，样件清洗前后没有明显变化，因为激光功率较小，单位脉冲能量密度较低，使得激光束扫在样件材料表面的温度太低，不能对腐蚀物造成影响。当激光功率继续增大到6 W 时，样件表面开始出现融化痕迹，污染物开始有效去除，在基体表面留下微细的激光划痕。

4 结束语

针对激光清洗技术，提出激光器驱动电源应具备驱动多支激光器能力的需求。采用时分复用控制技术，研制了一种新型多支路微秒级激光器驱动电源。通过性能测试实验表明，驱动电流线性度优于99.97%，长期稳定度优于4×10-5，具备驱动4 种不同波长的中红外量子级联激光器的能力。最后，利用其对腐蚀的镀锌钢材料进行清洗测试，基本达到除锈的效果，验证其在实际应用的可行性。