CN109478759B - 激光时钟信号发生器 - Google Patents

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Abstract

一种用于控制用于产生脉冲式激光束的激光束发生器的激光时钟信号发生器(21)，所述激光时钟信号发生器具有时钟信号输出端(20)、基本时钟发生器(1)和时钟预给定信号输入端(7)，所述时钟信号输出端能够供给到所述激光束发生器，所述基本时钟发生器产生能够在所述时钟信号输出端(20)上输出的基本时钟信号，所述时钟预给定信号输入端用于连接外部的时钟预给定信号，在所述激光时钟信号发生器中，设有控制单元(2)，所述控制单元控制所述基本时钟发生器(1)。在所述基本时钟发生器(1)与所述时钟信号输出端(20)之间布置有超频保护装置(5)。

Description

激光时钟信号发生器
技术领域
本发明涉及一种激光时钟信号发生器，其用于控制用于产生脉冲式激光束的激光束发生器，以及涉及一种具有所述激光时钟信号发生器的激光系统。
背景技术
脉冲式激光束的产生通常基于电子式产生的基本时钟。由于激光特性，基本时钟在频率和相位位置的方面受到精确的时序要求，因为基本时钟的波动可能导致能量波动或激光器的损坏。然而，严格的节拍预给定对于许多应用是不够的。通常期望的是通过外部信号请求的脉冲，即所谓的按需脉冲(Puls on Demand)。
发明内容
本发明的任务是提供一种激光时钟信号发生器，借助该激光时钟信号发生器可以满足以上提及的要求。
根据本发明，该任务通过一种激光时钟信号发生器来解决，所述激光时钟信号发生器用于控制用于产生脉冲式激光束的激光束发生器，所述激光时钟信号发生器具有时钟信号输出端、基本时钟发生器和时钟预给定信号输入端并且具有布置在所述基本时钟发生器与所述时钟信号输出端之间的超频保护装置，所述时钟信号输出端能够供给到所述激光束发生器或者与所述激光束发生器连接，所述基本时钟发生器产生能够在所述时钟信号输出端上输出的基本时钟信号，所述时钟预给定信号输入端用于输入外部的时钟预给定信号，其中，设有控制单元，所述控制单元控制所述基本时钟发生器。通过控制单元可以将基本时钟发生器尤其精细地调节到恰好16位、尤其恰好32位，从而可以产生精确的基本时钟信号。在此，“精确的基本时钟信号”指的是具有小于50ns、尤其小于10ns的抖动的基本时钟信号。为了避免在超频(即过高的时钟频率)的情况下损坏激光器，设有超频保护装置。由此可以确保，遵守在光学放大器中——例如在泵浦式纤维放大器、倾腔放大器系统或再生的放大器系统中的激光脉冲构建时间。超频保护装置可以构造为所谓的再触发锁定装置。再触发锁定装置可以构造用于，通过外部的信号(再触发)触发地对于预给定的持续时间或在预给定的条件下禁止重新启动脉冲。在当前的激光时钟信号发生器中，再触发锁定装置尤其可以构造用于，通过在超频时钟保护装置的输入端上的脉冲频率信号触发地禁止重新启动基本时钟信号一段预给定的最小脉冲持续时间的持续时间，所述最小脉冲持续时间通过最大频率确定。条件可以是例如所输出的脉冲的持续时间本身。但是，条件例如也可以是将会通过脉冲泵浦(gepumpt)的光学放大器的状态。
基本时钟发生器可以具有环形累加器和分配给该环形累加器的频率寄存器。通过控制单元可以写控制环形累加器的频率寄存器。可以如此调节在频率寄存器中调节的数据值，使得基本时钟信号不低于预给定的最小频率。环形累加器可以借助将最后的触发器输出端引回到第一触发器的输入端来实施为移位寄存器，尤其实施为多个数字触发器的串联连接。该环形累加器可以以运行频率进行控制并且以运行频率的节拍增大或减小累加器值。在此，存储在频率寄存器中的值对于增大或减小的步长大小是决定性的。
环形累加器可以在逻辑模块、尤其FPGA中实现。在环形累加器溢出的情况下，也就是说，在环形累加器翻转(Roll-Over)期间，优选地实现基本时钟信号的边沿的、尤其上升的边沿的产生。
基本时钟发生器可以具有用于——必要时在时钟预给定信号去抖动之后——与时钟预给定信号进行同步的同步输入端。通过供给到同步输入端的时钟预给定信号例如可以实现环形累加器的提前翻转或者可以如此重置环形累加器，使得产生基本时钟信号的边沿。
在时钟预给定信号输入端与基本时钟发生器、尤其同步输入端之间设置可以由控制单元控制的逻辑单元。通过逻辑单元可以将多个信号在逻辑上关联，以便产生同步信号。时钟预给定信号也可以根据另外的信号的在逻辑上的关联来环通(Durchschleifen)并且用作同步信号。
可以设置用于检测时钟预给定信号的频率的测量装置。该测量装置尤其可以集成在控制单元中。
可以设置用于抑制具有高于预给定的频率的频率的时钟预给定信号的第一限制装置。因此，当外部的时钟预给定信号的频率过高时，可以防止基本时钟发生器的外部触发。该限制装置可以构造为所谓的阻塞计时器(Sperrtimer)。
此外，可以设置用于抑制具有低于预给定的第二频率的频率的时钟预给定信号的第二限制装置。在频率寄存器中调节的数据值尤其可以由第二限制装置提高，以便确保不低于预给定的第二频率。因此，可以避免由于降频、即过低的时钟频率而引起的激光器的损坏。
因此，第二限制装置可以与基本时钟发生器连接，以便根据需要降低基本时钟信号的频率。因此，在第一次实现同步之后也可以以低于通过频率寄存器调节的时钟频率进行定时。
此外，可以设置时钟稳定装置。通过时钟稳定单元可以限制具有过高频率的直接的同步序列的频率。
激光时钟信号发生器可以具有用于监测时钟预给定信号的存在的监测装置。在此，监测装置可以构造为所谓的状态机。如果通过监测装置确定不存在时钟预给定信号，则可以自动地取消基本时钟信号的频率下降。这意味着，在外部的时钟预给定信号失效的情况下可以实现直接的自动的基本时钟接管。
此外，可以设置用于监测所述基本时钟发生器同步到所述时钟预给定信号上的监测装置。所述监测装置可以集成在控制单元中。
此外，可以设置时钟边沿去抖动装置。由此可以避免误触发。时钟边沿去抖动装置可以构造为FPGA滤波器。在此，FPGA滤波器是指在逻辑模块中、尤其在FPGA中实现的数字滤波器。
激光时钟信号发生器可以构造在逻辑模块中、尤其在FPGA中。借助根据本发明的激光时钟信号发生器可以处理外部的时钟预给定信号。可以对待供给到激光束发生器的时钟信号进行参数化、开启并且监测。可以实现最小频率限制和最大频率限制。此外，可以确定同步窗，在该同步窗中可以自由地触发时钟预给定信号。这对于脉冲按需应用是有利的。
尤其可以设置，如果时钟预给定信号处于预给定的频率范围内，则通过激光时钟信号发生器作为时钟信号输出时钟预给定信号。此外，如果不存在时钟预给定信号，则可以将所产生的基本时钟信号作为时钟信号输出。如果存在基本时钟信号，则可以使基本时钟发生器与时钟预给定信号同步。
本发明的另外的特征和优点由本发明的实施例的以下详细的描述、根据示出本发明主要细节的附图的图以及由权利要求得出。在那里示出的特征不应理解为按比例的并且如此示出，使得可以使根据本发明的特点明显可见。在本发明的变型方案中，不同的特征可以单独地或者多个以任意组合地实现。
该任务也通过一种激光系统来解决，所述激光系统具有如先前描述的那样的激光时钟信号发生器。此外，激光系统可以包括：脉冲发生器、激光激励单元和光学放大器。与附图描述相关联地更精确地描述激光系统的部件、所述部件的共同作用和所述部件的功能。
附图说明
在示意图中示出并且在以下说明书中进一步阐述本发明的实施例。
图1示出一种激光时钟信号发生器；
图2示出一种具有这种激光时钟信号发生器的激光系统。
具体实施方式
图1示出一种激光时钟信号发生器21。该激光时钟信号发生器具有基本时钟发生器1、控制单元2、超频保护装置5和另外的逻辑部件。激光时钟信号发生器21以运行频率运行。运行频率大于80MHz、尤其大于150MHz，并且特别优选地是192MHz。因此，可以实现小于10ns的抖动。
基本时钟发生器1具有环形累加器4、频率寄存器3、加法环节24和同步输入端17。频率寄存器3可以通过控制单元2例如以32位值写入。通过频率寄存器3控制环形累加器4。环形累加器4以激光时钟信号发生器21的运行频率运行。频率寄存器3的值尤其以运行频率的节拍经由加法环节24发送给环形累加器4。如果需要，则在加法环节24中可以给来自频率寄存器3的值加上一个值。如此产生的频率调节值26到达环形累加器4中。该值越高，环形累加器4产生的并且作为脉冲频率信号14输出的频率越高。脉冲频率信号14从环形累加器4的输出端到达基本时钟发生器1的输出端。脉冲频率信号14从基本时钟信号发生器1的输出端到达超频保护装置5的输入端。将到达同步输入端17的信号引导到环形累加器4的翻转预控制装置25。如果同步信号输入端17的信号的频率大于或等于在环形累加器4中通过频率调节值26调节的频率，则同步信号输入端17的信号导致在环形累加器4的输出端上的以下频率：该频率与同步信号输入端17的信号同步地运行。然而，如果同步输入端17的信号具有小于通过频率调节值26调节的频率，则可以通过频率调节值26确定脉冲频率信号14的频率。
控制单元2具有多个数字信号输入端和信号输出端。在该实施例中，该控制单元在以附图标记2、22、23、19标记的多个组件上分布地示出并且在以下进一步描述。在多个信号输出端中仅仅示出两个信号输出端，即时钟开启信号15的信号输出端和时钟稳定开启信号16的信号输出端，并且同样在以下进一步描述。控制单元2可以是基本时钟发生器1的一部分或者布置在该基本时钟发生器的外部。
激光时钟信号发生器21还具有时钟预给定信号输入端7，通过该时钟预给定信号输入端7可以输入外部的时钟预给定信号。该时钟预给定信号首先到达时钟边沿去抖动装置8。时钟边沿去抖动装置8可以具有低通滤波器和施密特触发器模块，但该时钟边沿去抖动装置也可以以其他的逻辑模块——例如RS触发器、单稳态触发级或类似的电路来实现。因此，借助时钟边沿去抖动装置8可以避免由于干扰信号或在时钟预给定信号的情况下过慢的电压上升引起的错误触发。时钟边沿去抖动装置8可以在其输出端上产生经去抖动的时钟预给定信号27。
第一测量装置19可以求取经去抖动的时钟预给定信号27的频率，所述第一测量装置可以集成在控制单元2中。
经去抖动的时钟预给定信号27从时钟边沿去抖动装置8到达逻辑单元11。逻辑单元11可以是与门、与非门、或门、或非门、异或门或这些逻辑门的组合。逻辑单元11可以构型为用于外部触发的门电路。该逻辑单元根据与其他信号的关联或其他信号的逻辑关联来将同步信号37发送至同步输入端17。
例如，控制单元2可以借助由其产生的时钟开启信号15——该时钟开启信号同样供给到逻辑单元11——禁止或允许将经去抖动的时钟预给定信号27转发至同步输入端17。控制单元2例如求取经去抖动的时钟预给定信号27的频率。如果控制单元2在此例如求得过高的频率，则该控制单元可以禁止将经去抖动的时钟预给定信号27作为同步信号37转发至同步输入端17。如以下还描述的那样，控制单元2也可以求取其他的信号。控制单元2也可以分析处理这些信号并且基于该分析处理来禁止或允许将经去抖动的时钟预给定信号27作为同步信号37转发至同步输入端17。如果同步信号37到达同步输入端17，则同步信号37可以复位基本时钟发生器1的环形累加器4或者引起翻转。以此方式和方法，在基本时钟发生器1的输出端上产生脉冲频率信号14作为与脉冲预给定信号7同步的基本时钟信号。基本时钟发生器1的输出信号供给到超频保护装置5，通过该超频保护装置识别并且阻塞过高的时钟频率。以此方式和方法可以防止激光器的损坏。在时钟信号输出端20上输出基本时钟信号。如果基本时钟信号处于允许的范围内，则该基本时钟信号相应于脉冲频率信号14。如果脉冲频率信号14不处于允许的频率范围内，则在时钟信号输出端20上输出具有在允许的频率范围内的频率的基本时钟信号，例如脉冲频率信号的频率的尽可能大的整数因子(Teiler)。
通过第二测量装置22可以检测到过快的触发，该第二测量装置集成在控制单元2中，并且，该第二测量装置可以在基本时钟发生器1的输出端上求取脉冲频率信号14的特性、尤其频率。
将在基本时钟发生器1上存在的脉冲频率信号14引导回到时钟稳定装置9上。也可以给时钟稳定装置9供给经去抖动的时钟预给定信号27。在错误触发的情况下，时钟稳定装置9可以借助二进制计数器限制快速的时钟锁存过程的顺序。为此，时钟稳定装置9的时钟稳定输出信号18可以供给到逻辑运算器10。时钟稳定装置9可以具有二进制的计数器、尤其16位计数器。经去抖动的时钟预给定信号27可以用于重置该计数器。时钟稳定装置9、尤其计数器可以以激光时钟信号发生器21的运行频率运行。脉冲频率信号14可以用作用于触发计数器的信号。
逻辑运算器10可以包括与门、与非门、或门、或非门、异或门或由这些逻辑门构成的组合。此外，可以给逻辑运算器10供给来自控制单元2的时钟稳定开启信号16。逻辑运算器10的输出端可以供给到逻辑单元11。因此，时钟稳定装置9可以禁止或允许将经去抖动的时钟预给定信号27转发至同步输入端17。控制单元2也可以影响，是否禁止或允许经去抖动的时钟预给定信号27到同步输入端17。
此外，在基本时钟发生器1的输出端上的脉冲频率信号14供给到第一限制装置13。第一限制装置13可以具有二进制计数器、尤其32位计数器。脉冲频率信号14可以用于重置该计数器。脉冲频率信号14也可以用作用于触发计数器的信号。第一限制装置13、尤其计数器可以以激光时钟信号发生器21的运行频率运行。第一限制装置13用于抑制具有高于预给定的频率的频率的时钟预给定信号。第一限制装置13的输出端又供给到逻辑单元11。因此，第一限制装置13也可以禁止或允许将经去抖动的时钟预给定信号27转发至同步输入端17。
此外，在基本时钟发生器1的输出端上的脉冲频率信号14供给到监测装置12。监测装置12可以构造为状态机并且因此执行时钟预给定信号的、经去抖动的时钟预给定信号27的或者尤其同步信号37的存在的监测。为此，可以给监测装置12尤其供给同步信号37。监测装置12可以具有二进制计数器、尤其2位计数器。同步信号37可用于重置该计数器。脉冲频率信号14可以用作用于触发计数器的信号。监测装置12、尤其计数器可以以激光时钟信号发生器21的运行频率运行。监测装置12与第二限制装置6处于连接中，尤其给该监测装置供给第二限制装置6的输出信号。由此可能的是，以低于预给定的第二频率的频率抑制时钟预给定信号。为此目的，第二限制装置6与基本时钟发生器1处于连接中。限制装置6的输出端尤其可以与基本时钟发生器1的加法环节24连接。由此，在成功的外部的时钟预给定的情况下可以实现基本时钟——即脉冲频率信号14的频率提高。
监测装置12的输出信号可以通过检测装置23来检测，该检测装置可以集成在控制单元2中。控制单元2可以通过检测装置23的所检测的信号识别：是否已经与在同步输入端17上的信号同步。
因此，如果识别出实现与时钟预给定信号的同步，则通过控制单元2可以开启重新同步。因此，如果识别出未实现与时钟预给定信号的同步，则控制单元2也可以禁止重新同步。为此目的，控制单元2与逻辑单元11连接。
图2示出一种激光系统30，该激光系统具有先前描述的激光时钟信号发生器21。时钟信号输出端20可以与脉冲发生器31连接，从而可以将时钟信号供给到脉冲发生器31。脉冲发生器31设置用于以时钟信号的节拍产生具有预给定的功率的信号，以便控制激光激励单元32。激光激励单元32本身可以是激光二极管。脉冲发生器31的输出端可以与激光激励单元32、尤其激光二极管连接，如图2中所示的那样。由激光二极管产生的激光脉冲可以供给到光学放大器33(泵浦式纤维放大器、倾腔放大器系统或再生的放大器系统等)，如图2中所示的那样。光学放大器33可以产生用于加工工件或其他的热学或光学的过程的激光脉冲，该激光脉冲的光学功率比激光激励单元32的功率大多倍。如已经描述的那样，重要的是系统故障安全地运行。因此，该系统仅仅允许在确定的频率范围内运行。脉冲发生器31、激光激励单元32和光学放大器33表示激光束发生器34。

Claims (16)

1.一种激光时钟信号发生器(21)，其用于控制用于产生脉冲式激光束的激光束发生器，所述激光时钟信号发生器具有时钟信号输出端(20)、基本时钟发生器(1)和时钟预给定信号输入端(7)，并且具有布置在所述基本时钟发生器(1)与所述时钟信号输出端(20)之间的超频保护装置(5)，所述时钟信号输出端能够供给到所述激光束发生器，所述基本时钟发生器产生能够在所述时钟信号输出端(20)上输出的基本时钟信号，所述时钟预给定信号输入端用于连接外部的时钟预给定信号，其中，设有控制单元(2)，所述控制单元控制所述基本时钟发生器(1)，其中，所述基本时钟发生器(1)设置成基于所述时钟预给定信号产生所述基本时钟信号。
2.根据权利要求1所述的激光时钟信号发生器，其特征在于，所述基本时钟发生器(1)具有环形累加器(4)和分配给所述环形累加器的频率寄存器(3)。
3.根据权利要求1或2所述的激光时钟信号发生器，其特征在于，所述基本时钟发生器(1)具有用于与所述时钟预给定信号同步的同步输入端(17)。
4.根据权利要求1或2所述的激光时钟信号发生器，其特征在于，在时钟预给定信号输入端(7)与基本时钟发生器(1)之间设有能够由所述控制单元(2)控制的逻辑单元(11)。
5.根据权利要求1或2所述的激光时钟信号发生器，其特征在于，设有用于检测所述时钟预给定信号的频率的测量装置(19)。
6.根据权利要求1或2所述的激光时钟信号发生器，其特征在于，设有用于抑制具有高于预给定的第一频率的频率的时钟预给定信号的第一限制装置(13)。
7.根据权利要求1或2所述的激光时钟信号发生器，其特征在于，设有用于抑制具有低于预给定的第二频率的频率的时钟预给定信号的第二限制装置(6)。
8.根据权利要求7所述的激光时钟信号发生器，其特征在于，所述第二限制装置(6)与所述基本时钟发生器(1)连接，以便能够降低所述基本时钟。
9.根据权利要求1或2所述的激光时钟信号发生器，其特征在于，设有时钟稳定装置(9)，其中，在所述基本时钟发生器的时钟信号输出端上存在的基本时钟信号引导回到所述时钟稳定装置(9)上，其中，所述时钟稳定装置(9)被供给经去抖动的时钟预给定信号，其中，所述时钟稳定装置(9)构造成在错误触发的情况下限制快速的时钟锁存过程的顺序。
10.根据权利要求1或2所述的激光时钟信号发生器，其特征在于，设有用于监测时钟预给定信号的存在的监测装置(12)。
11.根据权利要求1或2所述的激光时钟信号发生器，其特征在于，设有用于监测所述基本时钟发生器同步到所述时钟预给定信号上的监测装置。
12.根据权利要求1或2所述的激光时钟信号发生器，其特征在于，设有时钟边沿去抖动装置(8)，其中，所述时钟边沿去抖动装置(8)与所述时钟预给定信号输入端连接并且在其输出端上产生经去抖动的时钟预给定信号。
13.根据权利要求1或2所述的激光时钟信号发生器，其特征在于，在时钟预给定信号输入端(7)与所述基本时钟发生器(1)的同步输入端(17)之间设有能够由所述控制单元(2)控制的逻辑单元(11)。
14.一种激光系统(30)，其具有根据以上权利要求中任一项所述的激光时钟信号发生器(21)和
脉冲发生器(31)；
激光激励单元(32)；和/或
光学放大器(33)。
15.一种根据权利要求1至13中任一项所述的激光时钟信号发生器(21)或根据权利要求14所述的激光系统(30)的应用，用于控制用于产生脉冲式激光束的激光束发生器并且用于将外部的时钟预给定信号连接到所述时钟预给定信号输入端(7)上。
16.一种根据权利要求14所述的激光系统(30)的应用，所述激光系统具有激光激励单元(32)和光学放大器(33)，所述激光系统用于在所述光学放大器(33)的输出端上产生用于加工工件的激光脉冲，其中，在所述光学放大器(33)的输出端上的光学功率比所述激光激励单元(32)的功率大多倍。
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