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激光直写机的光功率控制系统研究与设计
作 者: 吕云飞
导 师: 蒋秀珍
学 校: 哈尔滨工业大学
专 业: 仪器科学与技术
关键词: 激光直写 声光调制器 光功率稳定 PID
分类号: TN249
类 型: 硕士论文
年 份: 2008年
下 载: 63次
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内容摘要
激光直写技术是制作二元光学元件的一种重要方法。在制作过程中,用于刻蚀的激光,其功率的稳定程度对于加工元件的质量十分重要。然而激光器受很多外界因素的影响,导致输出功率会产生漂移,这直接影响了被刻蚀的细微图形质量。因此必须对激光输出光功率进行控制,以达到稳定功率输出并且连续可调。以声光调制器(AOM)作为执行器的系统能够很好的解决这一技术难题。在分析了AOM的性能和特点的基础上,选择了适合系统的AOM,并在MATLAB环境下,成功辨识出AOM的数学模型,然后借助SIMULINK工具箱,设计出PID控制系统的仿真模型。在以上理论分析的基础上,设计了光功率闭环控制系统,系统采用采样+1级衍射光控制+1级的方式,衍射光经过光电转换变成电信号,再经过放大滤波,输入到以现场可编程门阵列(FPGA)为主芯片的板卡上,经过运算处理,输出给AOM的驱动器以控制衍射光光功率,使得系统在激光器有较大噪声输出时,也能保证光功率稳定并连续可调。采用FPGA实现PID控制器,实际上是利用数字逻辑电路来完成PID控制。本文在分析FPGA设计结构类型和特点的基础上,提出一种基于FPGA的、改进型并行结构的PID控制器设计方法,这种方法可以有效的减少逻辑运算,加快运算速度。实验结果表明,通过闭环控制的系统,+1级衍射光光功率的最大偏差量为0.008mw,随时间的稳定度S t= 0.399%。系统的调整时间约为300μs,比受控前提高了近3倍。论文对整个系统的硬件设计、改进型并行结构的PID控制器设计、串口通信程序、光功率稳定性实验等都进行了详细的论述。最后,总结了论文的研究工作,分析了设计存在的几点不足并提出了进一步优化设计的一些方法。
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全文目录
摘要 4-5 Abstract 5-9 第1章 绪论 9-17 1.1 课题背景 9-10 1.2 国内外激光直写技术的研究现状 10-14 1.2.1 国外激光直写技术的发展现状 10-13 1.2.2 国内激光直写技术的发展现状 13-14 1.3 光功率控制技术的发展现状 14-15 1.4 课题的来源及研究内容 15-17 第2章 总体方案 17-23 2.1 引言 17 2.2 激光直写系统总体方案 17-18 2.3 光功率控制系统 18-22 2.3.1 光功率控制方法介绍 18-21 2.3.2 光功率控制方案选择 21 2.3.3 光功率控制系统总体方案 21-22 2.4 本章小结 22-23 第3章 声光调制器的基本原理及控制系统仿真 23-35 3.1 引言 23 3.2 声光调制器的基本原理 23-27 3.2.1 振荡频率与衍射方向的关系 23-24 3.2.2 衍射光光功率与调制电压之间的关系 24-26 3.2.3 声光调制器的选择 26-27 3.3 声光调制器的系统辨识 27-32 3.4 控制系统仿真设计 32-33 3.5 本章小结 33-35 第4章 光功率控制系统设计 35-41 4.1 引言 35 4.2 光电转换电路 35 4.3 A/D转换电路 35-37 4.4 D/A转换电路 37 4.5 RS-232 接口电路 37-38 4.6 其它辅助电路 38-40 4.7 本章小结 40-41 第5章 软件设计 41-50 5.1 引言 41-42 5.2 PID控制算法 42-46 5.2.1 PID控制算法原理 42-44 5.2.2 PID算法在FPGA中的实现 44-46 5.3 串口通信的实现 46-49 5.4 本章小结 49-50 第6章 实验测试及结果 50-56 6.1 引言 50 6.2 激光器输出光功率漂移测定实验 50 6.3 +1 级衍射光稳定性实验 50-52 6.4 声光调制器输入输出关系测量实验 52-54 6.5 引入控制系统的+1 级衍射光稳定性实验 54-55 6.6 引入控制系统的+1 级衍射光的阶跃响应 55 6.7 本章小结 55-56 结论 56-57 参考文献 57-61 附录1 实验数据 61-63 附录2 实验装置实物图 63-65 附录3 电路板实物图 65-67 致谢 67
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中图分类: > 工业技术 > 无线电电子学、电信技术 > 光电子技术、激光技术 > 激光技术、微波激射技术 > 激光的应用
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