CN116435858B - 一种准分子激光器精准延时控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种准分子激光器精准延时控制系统及方法，涉及激光器延时控制技术领域，包括：触发控制模块、激光发射装置、延时测量装置和延时控制模块；触发控制模块产生触发信息；激光发射装置根据触发信息发射激光脉冲信号；延时测量装置根据获取的触发信息和激光脉冲信号之间的时间差输出第一延时值；触发控制模块还根据第一延时值计算得到延时调节信息；延时控制模块根据延时调节信息计算得到调节脉冲；触发控制模块还根据延时调节信息和调节脉冲输出下一触发信息至激光发射装置和延时测量装置。本发明可有效地减小后续触发脉冲与激光脉冲信号之间的延时抖动，实现触发脉冲与激光脉冲信号延时抖动不超过50ns。

Description

一种准分子激光器精准延时控制系统及方法

技术领域

本发明涉及激光器延时控制技术领域，特别涉及一种准分子激光器精准延时控制系统及方法。

背景技术

目前，准分子激光器能够在紫外波段提供高能量、高峰值功率、高光束质量的激光输出，由于波长短、脉宽短、峰值功率高，在光刻与激光退火等有着重要应用。

准分子激光器在实际应用中要求对脉冲触发信号与激光脉冲延时抖动实现时序控制，而准分子激光器的电源中的充电电容、磁开关等部件受本身特性与外部环境影响对信号延迟又有很大影响。以往准分子激光器对该指标没有很高要求，常规手段可实现脉冲触发信号与激光脉冲延时抖动≤250ns。但是，随着实际生产需要，新的技术指标要求准分子激光器脉冲触发信号与激光脉冲延时抖动不超过50ns，而现有技术难以实现该技术指标。

发明内容

本发明实施例提供一种准分子激光器精准延时控制系统及方法，以解决相关技术中现有准分子激光器延时控制系统难以实现脉冲触发信号与激光脉冲延时抖动不超过50ns的技术问题。

第一方面，提供了一种准分子激光器精准延时控制系统，包括：触发控制模块、激光发射装置、延时测量装置和延时控制模块；

所述触发控制模块用于产生触发信息，并将所述触发信息分别传输至所述激光发射装置和所述延时测量装置；所述触发信息包括激光发射装置的工作电压和触发脉冲；

所述激光发射装置用于接收所述触发信息，并根据所述触发信息发射激光脉冲信号；

所述延时测量装置用于先后接收所述触发信息和所述激光脉冲信号，并根据获取的所述触发信息和所述激光脉冲信号之间的时间差输出第一延时值；

所述触发控制模块还用于根据所述第一延时值计算得到延时调节信息；

所述延时控制模块用于根据所述延时调节信息计算得到调节脉冲；

所述触发控制模块还用于根据延时调节信息和调节脉冲输出下一触发信息至所述激光发射装置和延时测量装置。

一些实施例中，所述触发控制模块还用于根据所述第一延时值计算得到延时调节信息，具体包括：

所述触发控制模块用于根据所述第一延时值计算得到下一触发信息中所述激光发射装置的工作电压以及下一触发信息中所述激光发射装置的触发脉冲的延时调节值。

一些实施例中，所述触发控制模块用于根据所述第一延时值计算得到下一触发信息中所述激光发射装置的工作电压，具体包括：

所述触发控制模块用于根据所述第一延时值采用经验查找表方式计算下一触发信息中所述激光发射装置的工作电压；

其中，所述触发控制模块存储有所述激光发射装置的最佳延时值与工作电压的经验值对照表；

根据经验值对照表和所述第一延时值确定第二延时值，所述第二延时值为所述经验值对照表中最接近所述第一延时值的最佳延时值，以所述经验值对照表中第二延时值对应的工作电压作为下一触发信息中所述激光发射装置的工作电压。

一些实施例中，所述触发控制模块用于根据所述第一延时值计算得到下一触发信息中所述激光发射装置的工作电压，具体包括：

所述触发控制模块采用支持向量回归算法获得所述激光发射装置的最佳延时值与工作电压的之间的关系；

根据所述关系和所述第一延时值确定第二延时值，所述第二延时值为最接近所述第一延时值的最佳延时值，以所述第二延时值对应的工作电压作为下一触发信息中所述激光发射装置的工作电压。

一些实施例中，所述触发控制模块用于根据所述第一延时值计算得到下一触发信息中所述激光发射装置的触发脉冲的延时调节值，具体包括：

判断所述第二延时值与所述第一延时值的差值的绝对值是否小于预设延时差值：

若是，以所述第二延时值与所述第一延时值之间的差值的绝对值作为下一触发信息中所述激光发射装置触发脉冲的延时调节值；

若否，以所述预设延时差值作为下一触发信息中所述激光发射装置的触发脉冲的延时调节值。

一些实施例中，所述延时控制模块用于根据延时调节信息计算得到调节脉冲，具体包括：

所述延时控制模块用于根据所述下一触发信息中所述激光发射装置的触发脉冲的延时调节值采用可编程延时芯片计算得到调节脉冲。

一些实施例中，所述触发控制模块还用于根据延时调节信息和调节脉冲输出下一触发信息至所述激光发射装置和延时测量装置，具体包括：

将所述调节脉冲与所述触发控制模块产生的下一触发脉冲叠加，作为下一触发信息中所述激光发射装置的触发脉冲；

将所述触发控制模块计算得到的下一触发信息中所述激光发射装置的工作电压作为下一触发信息中所述激光发射装置的工作电压。

一些实施例中，所述延时测量装置用于先后接收所述触发信息和所述激光脉冲信号，并根据获取的所述触发信息和所述激光脉冲信号之间的时间差输出第一延时值，具体包括：

所述延时测量装置包括能量采集模块和延时测量模块；

所述能量采集模块用于采集激光脉冲信号，将激光脉冲信号转化为能量反馈信号；

所述延时测量模块根据接收的所述能量反馈信号和所述触发信息之间的时间差输出第一延时值。

第二方面，提供了一种准分子激光器精准延时控制方法，包括以下步骤：

步骤S10，触发控制模块产生触发信息，并将触发信息分别传输至激光发射装置和延时测量装置；所述触发信息包括激光发射装置的工作电压和触发脉冲；

步骤S20，所述激光发射装置接收所述触发信息，并根据所述触发信息发射激光脉冲信号；

步骤S30，所述延时测量装置先后接收所述触发信息和所述激光脉冲信号，并根据获取的所述触发信息和所述激光脉冲信号之间的时间差输出第一延时值；

步骤S40，触发控制模块还根据所述第一延时值计算得到延时调节信息；

步骤S50，延时控制模块根据所述延时调节信息计算得到调节脉冲；

步骤S60，所述触发控制模块还根据所述延时调节信息和所述调节脉冲输出下一触发信息至所述激光发射装置和所述延时测量装置；

步骤S70，重复执行步骤S20至步骤S60，直至激光器停止工作。

本发明提供的技术方案带来的有益效果包括：

本发明实施例提供了一种准分子激光器精准延时控制系统及方法，所述控制系统其设有触发控制模块、延时测量装置和延时控制模块，所述延时测量装置根据触发脉冲和激光脉冲信号输出第一延时值，所述触发控制模块然后根据第一延时值计算得到延时调节信号，所述延时控制模块再根据延时调节信号计算得到调节脉冲，所述触发控制模块最后根据延时调节信息和调节脉冲输出下一触发信息至所述激光发射装置和延时测量装置。本发明采用经过延时调节信号和调节脉冲修正后的触发信息，可有效地减小后续触发脉冲与激光脉冲信号之间的延时抖动，实现触发脉冲与激光脉冲信号延时抖动不超过50ns。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种准分子激光器精准延时控制系统的原理框图；

图2为本发明实施例提供的一种准分子激光器精准延时控制系统使用前触发脉冲与激光脉冲信号的时序图；

图3为本发明实施例提供的一种准分子激光器精准延时控制系统使用后触发脉冲与激光脉冲信号的时序图；

图4为本发明实施例提供的一种准分子激光器精准延时控制方法的流程图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，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的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。

本发明实施例提供了一种准分子激光器精准延时控制系统，其能解决现有准分子激光器延时控制系统难以实现脉冲触发信号与激光脉冲延时抖动不超过50ns的技术问题。

参见图1所示，本发明实施例提供了一种准分子激光器精准延时控制系统，包括：触发控制模块、激光发射装置、延时测量装置和延时控制模块。

所述触发控制模块用于产生触发信息，并将所述触发信息分别传输至所述激光发射装置和所述延时测量装置。所述触发信息包括激光发射装置的工作电压和触发脉冲。参见图1所示，所述触发控制模块主要分两种工作模式：内触发与外触发，内触发为所述触发控制模块内部发出触发信息，外触发为所述触发控制模块接受外部触发控制指令，再输出触发信息，外部触发控制指令通过光纤输入。所述触发控制模块可通过串口总线与外部控制终端互联，图1中未作视出。所述触发控制模块不限于基于嵌入式ARM平台与FPGA平台。

所述激光发射装置用于接收所述触发信息，并根据所述触发信息发射激光脉冲信号。参见图1所示，所述激光发射装置包括电源和放电腔，电源根据所述触发信息中的工作电压和触发脉冲产生高电压脉冲至放电腔，放电腔根据高电压脉冲发射激光脉冲信号。

所述延时测量装置用于先后接收所述触发信息和所述激光脉冲信号，并根据获取的所述触发信息和所述激光脉冲信号之间的时间差输出第一延时值。参见图2所示，所述延时测量装置包括：能量采集模块和延时测量模块。所述能量采集模块用于采集激光脉冲，将激光脉冲信号转化为能量反馈信号。所述延时测量模块再根据所述能量反馈信号和所述触发信息中触发脉冲之间的时间差输出第一延时值。

可选地，所述能量采集模块可以是基于滨松高速光电管进行设计，激光脉冲信号通过光电管后接入高速CMOS比较器，形成能量反馈信号。能量反馈信号可以再经过光电转换模块转化为光信号输出至所述延时测试模块。所述延时测试模块可基于高精度时间测量芯片进行设计（例如德国ACAM公司时间数字转化芯片，测量精度可达90ps），所述延时测试模块可进一步包括光电转化模块、高速数字隔离模块、电源隔离模块等。延时测试模块与所述能量采集模块采用光纤传输通信，大大提高抗干扰能力。

所述触发控制模块还用于根据所述第一延时值计算得到延时调节信息。具体地，所述触发控制模块用于根据所述第一延时值计算得到下一触发信息中所述激光发射装置的工作电压以及下一触发信息中所述激光发射装置的触发脉冲的延时调节值。

进一步地，所述触发控制模块用于根据所述第一延时值采用经验查找表方式计算下一触发信息中所述激光发射装置的工作电压。

其中，所述触发控制模块存储有所述激光发射装置的最佳延时值与工作电压的经验值对照表。根据经验值对照表和所述第一延时值确定第二延时值，所述第二延时值为所述经验值对照表中最接近所述第一延时值的最佳延时值，以所述经验值对照表中第二延时值对应的工作电压作为下一触发信息中所述激光发射装置的工作电压。具体地，经验值对照表可通过大量实验数据获得：在不同工作电压下进行大量实验，获得不同工作电压下对应的多组不同第一延时值，通过平均或加权处理等方式，得到不同工作电压下的最佳延时值。

例如，假设所述激光发射装置的当前工作电压为U1，对应的第一延时值为T1，所述经验值对照表中最接近所述第一延时值的最佳延时值为T2，该最佳延时值对应的工作电压为U2，则U2为下一触发信息中所述激光发射装置的工作电压。

再进一步地，判断所述第二延时值与所述第一延时值的差值的绝对值是否小于预设延时差值：

若是，以所述第二延时值与所述第一延时值之间的差值的绝对值作为下一触发信息中所述激光发射装置触发脉冲的延时调节值；

若否，以所述预设延时差值作为下一触发信息中所述激光发射装置的触发脉冲的延时调节值。

例如，假设ΔT=∣T2-T1∣，若ΔT＜t₀，t₀为预设延时差值，则ΔT作为下一触发信息中所述激光发射装置触发脉冲的延时调节值。若ΔT≥t₀，则t₀作为下一触发信息中所述激光发射装置触发脉冲的延时调节值。其中，t₀可取70ns(经验值)。

所述延时控制模块用于根据所述延时调节信息计算得到调节脉冲。具体地，所述延时控制模块用于根据所述下一触发信息中所述激光发射装置的触发脉冲的延时调节值采用可编程延时芯片计算得到调节脉冲，可实现10ps级别时间精度调节。所述延时控制模块与所述触发控制模块之间的信号传输通过基本网络卡BNC连接，所述延时控制模块与所述触发控制模块均配备有高速光耦隔离。

所述触发控制模块还用于根据延时调节信息和调节脉冲输出下一触发信息至所述激光发射装置和延时测量装置。具体地，将所述调节脉冲与所述触发控制模块产生的下一触发脉冲叠加，作为下一触发信息中所述激光发射装置的触发脉冲。将所述触发控制模块计算得到的下一触发信息中所述激光发射装置的工作电压作为下一触发信息中所述激光发射装置的工作电压。

参见图2和图3所示，图2为本发明的准分子激光器精准延时控制系统使用前，触发脉冲与激光脉冲信号的时序图（其中激光脉冲由能量反馈信号代替），能量反馈信号大范围抖动。图3为本发明的准分子激光器精准延时控制系统使用后，触发与激光脉冲信号的时序图，可看出触发脉冲（调节后）与能量反馈信号均抖动，二者相对抖动差异较小，实际测试触发脉冲与能量反馈信号的延时抖动≤50ns。

本发明实施例中的准分子激光器精准延时控制系统，其设有触发控制模块、延时测量装置和延时控制模块，所述延时测量装置根据触发脉冲和激光脉冲信号输出第一延时值，所述触发控制模块然后根据第一延时值计算得到延时调节信号，所述延时控制模块再根据延时调节信号计算得到调节脉冲，所述触发控制模块最后根据延时调节信息和调节脉冲输出下一触发信息至所述激光发射装置和延时测量装置。本发明采用经过延时调节信号和调节脉冲修正后的触发信息，可有效地减小后续触发脉冲与激光脉冲信号之间的延时抖动，实现触发脉冲与激光脉冲信号延时抖动不超过50ns。

作为可选的实施方式，在一个发明实施例中，所述触发控制模块用于根据所述第一延时值计算得到下一触发信息中所述激光发射装置的工作电压，具体包括：

所述触发控制模块采用支持向量回归算法获得所述激光发射装置的最佳延时值与工作电压的之间的关系。

根据所述关系和所述第一延时值确定第二延时值，所述第二延时值为最接近所述第一延时值的最佳延时值，以所述第二延时值对应的工作电压作为下一触发信息中所述激光发射装置的工作电压。

采用支持向量回归算法获得所述激光发射装置的最佳延时值与工作电压的之间的关系，其准确度能够得到保证，有利于后续第二延时值的计算，进而提高控制精度。

参见图4所示，本发明实施例提供了一种准分子激光器精准延时控制方法，包括以下步骤：

步骤S10，触发控制模块产生触发信息，并将触发信息分别传输至激光发射装置和延时测量装置；所述触发信息包括激光发射装置的工作电压和触发脉冲；

步骤S20，所述激光发射装置接收所述触发信息，并根据所述触发信息发射激光脉冲信号；

步骤S30，所述延时测量装置先后接收所述触发信息和所述激光脉冲信号，并根据获取的所述触发信息和所述激光脉冲信号之间的时间差输出第一延时值；

步骤S40，触发控制模块还根据所述第一延时值计算得到延时调节信息；

步骤S50，延时控制模块根据所述延时调节信息计算得到调节脉冲；

步骤S60，所述触发控制模块还根据所述延时调节信息和所述调节脉冲输出下一触发信息至所述激光发射装置和所述延时测量装置；

步骤S70，重复执行步骤S20至步骤S60，直至激光器停止工作。

本发明实施例中的准分子激光器精准延时控制方法，根据触发脉冲和激光脉冲信号输出第一延时值，然后根据第一延时值计算得到延时调节信号，再根据延时调节信号计算得到调节脉冲，最后根据延时调节信息和调节脉冲输出下一触发信息至所述激光发射装置和延时测量装置。本发明采用经过延时调节信号和调节脉冲修正后的触发信息，可有效地减小后续触发脉冲与激光脉冲信号之间的延时抖动，实现触发脉冲与激光脉冲信号延时抖动不超过50ns。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

需要说明的是，在本发明中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅是本发明的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文发明的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (8)

1.一种准分子激光器精准延时控制系统，其特征在于，包括：触发控制模块、激光发射装置、延时测量装置和延时控制模块；

所述触发控制模块用于产生触发信息，并将所述触发信息分别传输至所述激光发射装置和所述延时测量装置；所述触发信息包括激光发射装置的工作电压和触发脉冲；

所述激光发射装置用于接收所述触发信息，并根据所述触发信息发射激光脉冲信号；

所述延时测量装置用于先后接收所述触发信息和所述激光脉冲信号，并根据获取的所述触发信息和所述激光脉冲信号之间的时间差输出第一延时值；

所述触发控制模块还用于根据所述第一延时值计算得到延时调节信息，所述延时调节信息包括下一触发信息中所述激光发射装置的工作电压以及下一触发信息中所述激光发射装置的触发脉冲的延时调节值；

所述延时控制模块用于根据下一触发信息中所述激光发射装置的触发脉冲的延时调节值计算得到调节脉冲；

所述触发控制模块还用于根据下一触发信息中所述激光发射装置的工作电压和调节脉冲输出下一触发信息至所述激光发射装置和延时测量装置。

2.根据权利要求1所述的准分子激光器精准延时控制系统，其特征在于，所述触发控制模块用于根据所述第一延时值计算得到下一触发信息中所述激光发射装置的工作电压，具体包括：

所述触发控制模块用于根据所述第一延时值采用经验查找表方式计算下一触发信息中所述激光发射装置的工作电压；

其中，所述触发控制模块存储有所述激光发射装置的最佳延时值与工作电压的经验值对照表；

根据经验值对照表和所述第一延时值确定第二延时值，所述第二延时值为所述经验值对照表中最接近所述第一延时值的最佳延时值，以所述经验值对照表中第二延时值对应的工作电压作为下一触发信息中所述激光发射装置的工作电压。

3.根据权利要求1所述的准分子激光器精准延时控制系统，其特征在于，所述触发控制模块用于根据所述第一延时值计算得到下一触发信息中所述激光发射装置的工作电压，具体包括：

所述触发控制模块采用支持向量回归算法获得所述激光发射装置的最佳延时值与工作电压的之间的关系；

根据所述关系和所述第一延时值确定第二延时值，所述第二延时值为最接近所述第一延时值的最佳延时值，以所述第二延时值对应的工作电压作为下一触发信息中所述激光发射装置的工作电压。

4.根据权利要求2或3所述的准分子激光器精准延时控制系统，其特征在于，所述触发控制模块用于根据所述第一延时值计算得到下一触发信息中所述激光发射装置的触发脉冲的延时调节值，具体包括：

判断所述第二延时值与所述第一延时值的差值的绝对值是否小于预设延时差值：

若是，以所述第二延时值与所述第一延时值之间的差值的绝对值作为下一触发信息中所述激光发射装置触发脉冲的延时调节值；

若否，以所述预设延时差值作为下一触发信息中所述激光发射装置的触发脉冲的延时调节值。

5.根据权利要求1所述的准分子激光器精准延时控制系统，其特征在于，所述延时控制模块用于根据延时调节信息计算得到调节脉冲，具体包括：

所述延时控制模块用于根据所述下一触发信息中所述激光发射装置的触发脉冲的延时调节值采用可编程延时芯片计算得到调节脉冲。

6.根据权利要求3所述的准分子激光器精准延时控制系统，其特征在于，所述触发控制模块还用于根据延时调节信息和调节脉冲输出下一触发信息至所述激光发射装置和延时测量装置，具体包括：

将所述调节脉冲与所述触发控制模块产生的下一触发脉冲叠加，作为下一触发信息中所述激光发射装置的触发脉冲；

将所述触发控制模块计算得到的下一触发信息中所述激光发射装置的工作电压作为下一触发信息中所述激光发射装置的工作电压。

7.根据权利要求1所述的准分子激光器精准延时控制系统，其特征在于，所述延时测量装置用于先后接收所述触发信息和所述激光脉冲信号，并根据获取的所述触发信息和所述激光脉冲信号之间的时间差输出第一延时值，具体包括：

所述延时测量装置包括能量采集模块和延时测量模块；

所述能量采集模块用于采集激光脉冲信号，将激光脉冲信号转化为能量反馈信号；

所述延时测量模块根据接收的所述能量反馈信号和所述触发信息之间的时间差输出第一延时值。

8.一种准分子激光器精准延时控制方法，使用权利要求1所述的准分子激光器精准延时控制系统，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S10，触发控制模块产生触发信息，并将触发信息分别传输至激光发射装置和延时测量装置；所述触发信息包括激光发射装置的工作电压和触发脉冲；

步骤S20，所述激光发射装置接收所述触发信息，并根据所述触发信息发射激光脉冲信号；

步骤S30，所述延时测量装置先后接收所述触发信息和所述激光脉冲信号，并根据获取的所述触发信息和所述激光脉冲信号之间的时间差输出第一延时值；

步骤S40，触发控制模块还根据所述第一延时值计算得到延时调节信息；

步骤S50，延时控制模块根据所述延时调节信息计算得到调节脉冲；

步骤S60，所述触发控制模块还根据所述延时调节信息和所述调节脉冲输出下一触发信息至所述激光发射装置和所述延时测量装置；

步骤S70，重复执行步骤S20至步骤S60，直至激光器停止工作。