CN113904210B - 一种可编程超快脉冲激光发生器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种可编程超快脉冲激光发生器；包括FPGA，所述FPGA通过PLL产生两路时钟信号，两路所述时钟信号分别为CLK1#和CLK2#，两路所述时钟信号分别为两个激光驱动芯片提供时钟信号，两个所述激光驱动芯片分别为激光驱动芯片laser driver1#和激光驱动芯片laser driver2#，所述激光驱动芯片laser driver1#会同时产生SYNC同步信号，所述SYNC同步信号作为所述激光驱动芯片laser driver2#的激光Trigger信号；本发明采用xilinx的Kintex UltraScale+系列FPGA,用于产生可编程的时钟信号和激光脉冲trigger信号；采用先进的激光驱动芯片，可以产生皮秒级的脉冲宽度，并且可以通过SPI/IIC方式，对脉冲的脉宽进行编程；采用超快的VCSEL激光器，激光器本身的上升/下降时间在皮秒量级。

Description

一种可编程超快脉冲激光发生器
技术领域
本发明属于激光发生器技术领域，具体涉及一种可编程超快脉冲激光发生器。
背景技术
激光器的工作原理：除自由电子激光器外，各种激光器的基本工作原理均相同。产生激光的必不可少的条件是粒子数反转和增益大于损耗，所以装置中必不可少的组成部分有激励(或抽运)源、具有亚稳态能级的工作介质两个部分。激励是工作介质吸收外来能量后激发到激发态，为实现并维持粒子数反转创造条件。激励方式有光学激励、电激励、化学激励和核能激励等。工作介质具有亚稳能级是使受激辐射占主导地位，从而实现光放大。激光器中常见的组成部分还有谐振腔，但谐振腔(见光学谐振腔)并非必不可少的组成部分，谐振腔可使腔内的光子有一致的频率、相位和运行方向，从而使激光具有良好的方向性和相干性。而且，它可以很好地缩短工作物质的长度，还能通过改变谐振腔长度来调节所产生激光的模式(即选模)，所以一般激光器都具有谐振腔，然而市面上各种的激光发生器仍存在各种各样的问题。
如授权公告号为CN112673533A所公开的脉冲可配置光纤激光器单元，脉冲可配置激光器单元是一种环境稳定、机械坚固且免维护的超快激光光源，用于低能耗工业、医疗和分析应用。激光器单元的关键特征是可靠的、自启动的光纤振荡器和集成的可编程脉冲整形器。这些组件的组合允许充分利用激光器的宽带宽超短脉冲持续时间以及通过光谱相位操纵来生成任意波形的优势。其虽然实现了例行地提供具有兆瓦级峰值功率的近TL、低于60fs的脉冲。可以对输出脉冲色散进行调谐以预补偿线路下游的相位失真以及针对特定应用优化脉冲分布，但是并未解决现有激光发生器存在的上升/下降时间1.5ns不能满足使用要求(0.5ns以内)；脉宽满足不了1ns步进的可编程脉宽的需求；激光重复频率无法满足300MHz的问题，为此我们提出一种可编程超快脉冲激光发生器。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可编程超快脉冲激光发生器，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种可编程超快脉冲激光发生器，包括FPGA，所述FPGA通过PLL产生两路时钟信号，两路所述时钟信号分别为CLK1#和CLK2#，两路所述时钟信号分别为两个激光驱动芯片提供时钟信号，两个所述激光驱动芯片分别为激光驱动芯片laser driver1#和激光驱动芯片laser driver2#，同时，所述FPGA产生一路LVDS的trigger信号，传输给到所述激光驱动芯片laser driver1#，所述激光驱动芯片laser driver1#上设有VCSEL1#端，所述VCSEL1#端用于控制激光的输出和关闭，并且通过所述trigger信号的上升沿和下降沿实现控制；所述激光驱动芯片laser driver1#会同时产生SYNC同步信号，所述SYNC同步信号作为所述激光驱动芯片laser driver2#的激光Trigger信号，所述激光驱动芯片laser driver2#上设有VCSEL2#端，所述SYNC同步信号实现控制所述VCSEL2#端激光的输出和关闭，以及通过对SYNC同步信号的延时处理，使得所述VCSEL1#端和所述VCSEL2#端二个激光的发生产生特定的延时，以满足不同的应用需要；所述FPGA产生二路IIC信号，分别给到所述激光驱动芯片laser driver1#和所述激光驱动芯片laser driver2#，用以来配置激光脉冲宽度。
优选的，所述FPGA采用的是XCKU5P-FFVD900-2芯片，所述FPGA通过MPM3695-25芯片进行供电运行。
优选的，所述LVDS采用的是FPGA 1.8V bank的IO管脚芯片，所述LVDS产生4路LVDS信号，4路所述LVDS信号分别是FPGA_LVDS1_Light+、FPGA_LVDS1_Light-、FPGA_LVDS4_Light+和FPGA_LVDS4_Light-。
优选的，所述FPGA_LVDS1_Light+和所述FPGA_LVDS1_Light-作为所述激光驱动芯片laser driver1#的时钟信号，所述FPGA_LVDS4_Light+作为所述激光驱动芯片laserdriver1#的trigger信号，所述trigger信号的频率最高可达300MHz以上，以及可编程。
优选的，所述激光驱动芯片laser driver1#和所述激光驱动芯片laser driver2#均采用IC-HS05芯片，所述IC-HS05芯片进行超快激光的产生；且脉宽从100ps到5ns可编程，时间分辨率为1ps。
优选的，所述FPGA的4路所述LVDS信号的输出，其中一路输送到所述激光驱动芯片laser driver1#的clk_out0_P引脚和clk_out0_N引脚作为激光驱动芯片的参考时钟信号，另一路输送到所述激光驱动芯片laser driver1#的clk_out1_P引脚和clk_out1_N引脚作为激光输出的trigger信号。
优选的，所述LVDS信号上升的时候所述IC-HS05芯片就会触发输出的脉冲，然后过了设置的脉冲宽时间就自动关闭，下次所述LVDS信号来的时候再触发新的脉冲，以此来控制所述VCSEL1#端的开启和关闭；所述FPGA通过IIC信号来配置VCSEL1#端发光的脉冲宽度，所述IIC信号包括有以下几种LASER_SCL_CLK、LASER_INS_CS1#、LASER_SDA_MISO和ID_LASER1。
优选的，所述VCSEL1#端和所述VCSEL2#端的信号上升下降时间在0.5ns以内。
优选的，所述VCSEL1#端和所述VCSEL2#端的光脉冲的宽度在1ns以内，上升沿在0.5ns以内。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明采用xilinx的Kintex UltraScale+系列FPGA，用于产生可编程的时钟信号和激光脉冲trigger信号；采用先进的激光驱动芯片，可以产生皮秒级的脉冲宽度，并且可以通过SPI/IIC方式，对脉冲的脉宽进行编程；采用超快的VCSEL激光器，激光器本身的上升/下降时间在皮秒量级，实现激光上升/下降时间在0.5ns以内；脉宽可以从100ps到5ns可编程，时间分辨率为1ps；激光重复频率可以到300MHz MAX。
附图说明
图1为本发明的系统结构示意图；
图2为本发明的FPGA的供电部分示意图；
图3为本发明的4路LVDS信号示意图；
图4为本发明的laser driver的示意图示意图；
图5为本发明的laser driver1#激光驱动链路示意图；
图6为本发明的laser driver2#激光驱动链路示意图；
图7为本发明的VCSEL的信号选择示意图；
图8为本发明的VCSEL发光的图形示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-图8，本发明提供一种技术方案：一种可编程超快脉冲激光发生器，包括FPGA，所述FPGA通过PLL产生两路时钟信号，两路所述时钟信号分别为CLK1#和CLK2#，两路所述时钟信号分别为两个激光驱动芯片提供时钟信号，两个所述激光驱动芯片分别为激光驱动芯片laser driver1#和激光驱动芯片laser driver2#，同时，所述FPGA产生一路LVDS的trigger信号，传输给到所述激光驱动芯片laser driver1#，所述激光驱动芯片laser driver1#上设有VCSEL1#端，所述VCSEL1#端用于控制激光的输出和关闭，并且通过所述trigger信号的上升沿和下降沿实现控制；所述激光驱动芯片laser driver1#会同时产生SYNC同步信号，所述SYNC同步信号作为所述激光驱动芯片laser driver2#的激光Trigger信号，所述激光驱动芯片laser driver2#上设有VCSEL2#端，所述SYNC同步信号实现控制所述VCSEL2#端激光的输出和关闭，以及通过对SYNC同步信号的延时处理，使得所述VCSEL1#端和所述VCSEL2#端二个激光的发生产生特定的延时，以满足不同的应用需要；所述FPGA产生二路IIC信号，分别给到所述激光驱动芯片laser driver1#和所述激光驱动芯片laser driver2#，用以来配置激光脉冲宽度。
为了实现对系统进行有效的供电运行，本实施例中，优选的，所述FPGA采用的是XCKU5P-FFVD900-2芯片，所述FPGA通过MPM3695-25芯片进行供电运行。
为了实现对LADS的输出信号进行输出，本实施例中，优选的，所述LVDS采用的是FPGA 1.8V bank的IO管脚芯片，所述LVDS产生4路LVDS信号，4路所述LVDS信号分别是FPGA_LVDS1_Light+、FPGA_LVDS1_Light-、FPGA_LVDS4_Light+和FPGA_LVDS4_Light-。
为了实现对激光驱动芯片进行有效的时钟信号和trigger信号的输送以及到高频的效果，本实施例中，优选的，所述FPGA_LVDS1_Light+和所述FPGA_LVDS1_Light-作为所述激光驱动芯片laser driver1#的时钟信号，所述FPGA_LVDS4_Light+作为所述激光驱动芯片laser driver1#的trigger信号，所述trigger信号的频率最高可达300MHz以上，以及可编程。
为了实现驱动激光的产生和发射，本实施例中，优选的，所述激光驱动芯片laserdriver1#和所述激光驱动芯片laser driver2#均采用IC-HS05芯片，所述IC-HS05芯片进行超快激光的产生；且脉宽从100ps到5ns可编程，时间分辨率为1ps。
为了实现对LVDS信号的输出，供给激光驱动芯片，本实施例中，优选的，所述FPGA的4路所述LVDS信号的输出，其中一路输送到所述激光驱动芯片laser driver1#的clk_out0_P引脚和clk_out0_N引脚作为激光驱动芯片的参考时钟信号，另一路输送到所述激光驱动芯片laser driver1#的clk_out1_P引脚和clk_out1_N引脚作为激光输出的trigger信号。
为了实现对激光驱动进行进行控制调节，实现有的开启和关闭，本实施例中，优选的，所述LVDS信号上升的时候所述IC-HS05芯片就会触发输出的脉冲，然后过了设置的脉冲宽时间就自动关闭，下次所述LVDS信号来的时候再触发新的脉冲，以此来控制所述VCSEL1#端的开启和关闭；所述FPGA通过IIC信号来配置VCSEL1#端发光的脉冲宽度，所述IIC信号包括有以下几种LASER_SCL_CLK、LASER_INS_CS1#、LASER_SDA_MISO和ID_LASER1。
为了有效的实现光脉冲的高效性，本实施例中，优选的，所述VCSEL1#端和所述VCSEL2#端的信号上升下降时间在0.5ns以内。
为了实现光脉冲的宽度和上述时间的速度，本实施例中，优选的，所述VCSEL1#端和所述VCSEL2#端的光脉冲的宽度在1ns以内，上升沿在0.5ns以内。
本发明的工作原理及使用流程：通过xilinx的Kintex UltraScale+系列FPGA，用于产生可编程的时钟信号和激光脉冲trigger信号；采用先进的激光驱动芯片，可以产生皮秒级的脉冲宽度，并且可以通过SPI/IIC方式，对脉冲的脉宽进行编程；采用超快的VCSEL激光器，激光器本身的上升/下降时间在皮秒量级，实现激光上升/下降时间在0.5ns以内；脉宽可以从100ps到5ns可编程，时间分辨率为1ps；激光重复频率可以到300MHz MAX。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (9)

1.一种可编程超快脉冲激光发生器，包括FPGA，其特征在于：所述FPGA通过PLL产生两路时钟信号，两路所述时钟信号分别为CLK1#和CLK2#，两路所述时钟信号分别为两个激光驱动芯片提供时钟信号，两个所述激光驱动芯片分别为激光驱动芯片laser driver1#和激光驱动芯片laser driver2#，同时，所述FPGA产生一路LVDS的trigger信号，传输给到所述激光驱动芯片laser driver1#，所述激光驱动芯片laser driver1#上设有VCSEL1#端，所述VCSEL1#端用于控制激光的输出和关闭，并且通过所述trigger信号的上升沿和下降沿实现控制；所述激光驱动芯片laser driver1#会同时产生SYNC同步信号，所述SYNC同步信号作为所述激光驱动芯片laser driver2#的激光Trigger信号，所述激光驱动芯片laserdriver2#上设有VCSEL2#端，所述SYNC同步信号实现控制所述VCSEL2#端激光的输出和关闭，以及通过对SYNC同步信号的延时处理，使得所述VCSEL1#端和所述VCSEL2#端二个激光的发生产生特定的延时，以满足不同的应用需要；所述FPGA产生二路IIC信号，分别给到所述激光驱动芯片laser driver1#和所述激光驱动芯片laser driver2#，用以来配置激光脉冲宽度。
2.根据权利要求1所述的一种可编程超快脉冲激光发生器，其特征在于：所述FPGA采用的是XCKU5P-FFVD900-2芯片，所述FPGA通过MPM3695-25芯片进行供电运行。
3.根据权利要求1所述的一种可编程超快脉冲激光发生器，其特征在于：所述LVDS采用的是FPGA 1.8V bank的IO管脚芯片，所述LVDS产生4路LVDS信号，4路所述LVDS信号分别是FPGA_LVDS1_Light+、FPGA_LVDS1_Light-、FPGA_LVDS4_Light+和FPGA_LVDS4_Light-。
4.根据权利要求3所述的一种可编程超快脉冲激光发生器，其特征在于：所述FPGA_LVDS1_Light+和所述FPGA_LVDS1_Light-作为所述激光驱动芯片laser driver1#的时钟信号，所述FPGA_LVDS4_Light+作为所述激光驱动芯片laser driver1#的trigger信号，所述trigger信号的频率最高可达300MHz以上，以及可编程。
5.根据权利要求1所述的一种可编程超快脉冲激光发生器，其特征在于：所述激光驱动芯片laser driver1#和所述激光驱动芯片laser driver2#均采用IC-HS05芯片，所述IC-HS05芯片进行超快激光的产生；且脉宽从100ps到5ns可编程，时间分辨率为1ps。
6.根据权利要求3所述的一种可编程超快脉冲激光发生器，其特征在于：所述FPGA的4路所述LVDS信号的输出，其中一路输送到所述激光驱动芯片laser driver1#的clk_out0_P引脚和clk_out0_N引脚作为激光驱动芯片的参考时钟信号，另一路输送到所述激光驱动芯片laser driver1#的clk_out1_P引脚和clk_out1_N引脚作为激光输出的trigger信号。
7.根据权利要求5所述的一种可编程超快脉冲激光发生器，其特征在于：所述LVDS信号上升的时候所述IC-HS05芯片就会触发输出的脉冲，然后过了设置的脉冲宽时间就自动关闭，下次所述LVDS信号来的时候再触发新的脉冲，以此来控制所述VCSEL1#端的开启和关闭；所述FPGA通过IIC信号来配置VCSEL1#端发光的脉冲宽度，所述IIC信号包括有以下几种LASER_SCL_CLK、LASER_INS_CS1#、LASER_SDA_MISO和ID_LASER1。
8.根据权利要求1所述的一种可编程超快脉冲激光发生器，其特征在于：所述VCSEL1#端和所述VCSEL2#端的信号上升下降时间在0.5ns以内。
9.根据权利要求1所述的一种可编程超快脉冲激光发生器，其特征在于：所述VCSEL1#端和所述VCSEL2#端的光脉冲的宽度在1ns以内，上升沿在0.5ns以内。
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