CN201072498Y - 高精度固体激光脉冲时序控制装置 - Google Patents

高精度固体激光脉冲时序控制装置 Download PDF

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张云兴
张晓卫
但勇军
陈志理
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Abstract

本实用新型公开了一种高精度固体激光脉冲时序控制装置，包括可扩展模块、远程控制计算机和分布式手控盒。可扩展模块与远程控制计算机和分布式手控盒连接；可扩展模块包括信号采样单元、数据采集卡、本地控制计算机、延迟信号发生器和多台固体激光器。信号采样单元包括光耦合器、大芯径光纤、光开关、标准通讯光纤和快速光电管，对应多台固体激光器分别配有一个光耦合器。本实用新型实现了快速光脉冲波形计算机采集，波形稳定，提高了测量精度，便于系统扩展和工程化应用。光开关的使用使一个模块可以对多至几十路固体激光器进行时序控制，降低了成本，提高了多台固体激光器泵浦的染料激光器振放链系统的调节效率。

Description

高精度固体激光脉冲时序控制装置
技术领域
本实用新型属于一种多台脉冲固体激光器泵浦染料激光器振放链系统中的固体激光脉冲时序控制装置，具体涉及一种多路固体激光的采样、快速激光脉冲的计算机数据采集、处理的高精度固体激光脉冲时序控制装置。
背景技术
在许多技术领域中都需要进行时序控制，尤其在国防、科研等领域，针对不同的实际应用，其要求及需要的技术是不同的。对于开环的时序控制只要实现延迟时间的设定和延迟信号的产生就可以了，对于应用中需要实现时序监测或闭环控制的应用，还需要实现延迟时间的测量；反馈信号的采样、数据采集和数据处理。
对于开环应用，在低精度要求的场合，使用通常的数字电路就可以实现，如：单稳态电路，通过电位器就可以实现控制，在高精度应用场合可以使用如美国Stanford Research Systems公司生产的DG535等。
对于高精度闭环应用，延迟时间的测量非常关键。激光脉冲延迟时间测量在脉冲激光测距领域应用最为广泛，在脉冲激光测距中通常采用时钟计数的方法进行激光脉冲延迟时间的测量，分别有采用脉冲串激光测距技术、模数转换技术、自动增益控制的自触发脉冲激光测距技术和移相技术等以及相关的数据处理技术，来提高时间测量精度，减小测量误差。
在多台固体激光器泵浦的染料激光器振放链系统中，通常包括有一个振荡器和几个放大器。对于脉冲激光，为了有效地进行放大，要求染料激光脉冲和固体泵浦激光脉冲在染料放大池处，不仅在空间上要匹配，在时间上也需要精确匹配。对于窄脉冲的场合，时间匹配要求更加严格。这就要求多台固体激光脉冲时序关系稳定。根据固体激光器的特性，随着环境温度的变化、工作条件(LD工作电流)的改变，在运行中其输出激光脉冲的触发延迟(从输入触发到输出激光脉冲的时间延迟)也会改变，同时激光脉宽也会发生变化，造成染料激光脉冲与泵浦激光脉冲在时间上失配，降低放大效率。因此需要对激光脉冲的时序状态实现闭环控制，尤其在连续长期运行中更为重要。在目前的应用中，通常只采用开环的调节。
在激光脉冲测距中使用的时间测量技术中，一般都采用激光脉冲上升沿触发高频计数，再利用返回激光脉冲的上升沿终止高频计数，从而获得延迟时间。不管采用移相技术或者采用自动增益控制，由于激光脉冲不是理想的方波，即使测距中通常使用的激光脉冲脉宽较窄(约6ns)，其上升沿都会引起触发误差。尤其在多台固体激光泵浦的染料激光振放链系统的时序控制中，使用的高重频、高功率脉冲固体激光器，目前其脉冲宽度在60ns左右，其上升沿接近30ns，通常触发误差在边沿宽度的10％左右，因此触发误差相当大。另外，现有技术没有涉及到激光脉冲时序的闭环控制，也未涉及到解决激光脉冲宽度变化造成的时序漂移问题。
发明的内容
本实用新型是为了克服现有技术存在的缺点而提出的，目的是提供一种多路固体激光的采样、快速激光脉冲的计算机数据采集、处理的高精度固体激光脉冲时序控制装置。
本实用新型的技术方案是：一种高精度固体激光脉冲时序控制装置，包括远程控制计算机、分布式手控盒和可扩展模块。可扩展模块利用本地控制计算机、通过RS485总线与远程控制计算机和分布式手控盒连接；可扩展模块包括信号采样单元、数据采集卡、本地控制计算机、延迟信号发生器和多台固体激光器；在可扩展模块中，信号采集单元通过光电脉冲与数据采集卡连接，通过RS485总线与本地控制计算机连接，通过多路固体激光脉冲与对应的多台固体激光器连接，数据采集卡通过PCI总线与本地控制计算机连接，通过基准脉冲与延迟信号发生器连接，延迟信号发生器通过触发脉冲与对应的多台固体激光器连接。
信号采样单元包括光耦合器、光开关和快速光电管；其中光耦合器通过大芯径光纤和连接器与光开关连接，光开关通过标准通讯光纤与快速光电管连接。
延迟信号发生器采用Stanford Research Systems公司生产的DG535，光电脉冲、基准脉冲和多路触发脉冲分别采用50Ω电缆传输。
数据采集卡采用PCI-5124示波器卡，本地控制计算机采用工业控制机，远程控制计算机采用普通计算机，分布式手控盒采用一片MCS-51系列单片机W77E58，固体激光器71～7n为高重频、调Q运行的二倍频输出的脉冲固体激光器。
本实用新型的有益效果：利用光纤及随机重复采样技术，实现了在计算机中获得了快速光脉冲波形，较长的大芯径采样光纤的使用使采集到的脉冲波形稳定，提高了测量精度。由于采用了模块化设计，便于系统扩展和工程化应用。光开关的使用使一个模块可以对多至几十路固体激光器进行时序控制，降低了成本。分布式手控盒可以大大提高多台固体激光器泵浦的染料激光器振放链系统的调节效率。
附图说明
图1是本实用新型高精度固体激光脉冲时序控制装置组成框图；
图2是本实用新型高精度固体激光脉冲时序控制装置中的信号采样单元组成示意图。
其中：
1信号采样单元                2数据采集卡
3本地控制计算机              4远程控制计算机
5分布式手控盒                6延迟信号发生器
71～7n固体激光器             8光电脉冲
9PCI总线                     10RS485总线
11GPIB总线                   12基准脉冲
131～13n触发脉冲             141～14n固体激光脉冲
15可扩展模块                 21光耦合器
28大芯径光纤                 29光开关
30标准通讯光纤               31快速光电管
32、33、34FC光纤连接器
具体实施方式
下面参照附图和实施例对本实用新型的高精度固体激光脉冲时序控制装置进行详细说明：
如图1所示，一种高精度固体激光脉冲时序控制装置，包括可扩展模块15、远程控制计算机4和分布式手控盒5。可扩展模块15包括信号采样单元1、数据采集卡2、本地控制计算机3、延迟信号发生器6和多台固体激光器71、72……7n，其中n表示几台、甚至几十台以上的固体激光器。
可扩展模块15利用本地控制计算机3，通过RS485总线10与远程控制计算机4和分布式手控盒5连接。在可扩展模块15中，信号采集单元1通过光电脉冲8与数据采集卡2连接，通过RS485总线10与本地控制计算机3连接，通过多路固体激光脉冲141～14n与对应的多台固体激光器71～7n连接，数据采集卡2通过PCI总线9与本地控制计算机3连接，通过基准脉冲12与延迟信号发生器6连接，延迟信号发生器6通过触发脉冲131～13n与对应的多台固体激光器71～7n连接。
延迟信号发生器6采用Stanford Research Systems公司生产的DG535，光电脉冲8、基准脉冲1)和多路触发脉冲131～13n分别采用50Ω电缆传输。
如图2所示，信号采样单元1包括光耦合器21、光开关29和快速光电管31；其中光耦合器21通过大芯径光纤28和FC光纤连接器32、33与光开关29连接，光开关29通过标准通讯光纤30和FC光纤连接器34与快速光电管31连接。
对应多台固体激光器71～7n分别设置有一个光耦合器21。
光耦合器21包括分光镜22、测量激光23、全反镜24、可调衰减器25、吸收型衰减器26和耦合透镜27。光开关29包括光开关内部光纤35。
下面，以其中一个固体激光器71为例，对信号采样单元1的构成和工作过程作进一步的说明：
光耦合器21中分光镜22从固体激光脉冲141中分出测量激光23(约1瓦)，经过全反镜24、可调衰减器25、吸收型衰减器26、耦合透镜27和FC光纤连接器32，注入到石英芯径为0.6mm的大芯径光纤28中，大芯径光纤28能很容易进行耦合调节，并且能够采集整个光束能量，使采集到的光脉冲具有较稳定的幅度。可调衰减器25采用透过率对角度灵敏的分光镜，通过调节角度就可以调节衰减量，吸收型衰减器26采用滤光片，所述滤光片部分透过绿光而对1.06nm的红外强烈吸收，主要的衰减由吸收型衰减器26完成，可调分光镜25只做微调。
大芯径光纤28长度为10m左右，激光在大芯径光纤28内长距离传输过程中，模式充分混合，其输出端的光强将均匀分布，因此大芯径光纤28还起到光束均匀器的作用，大芯径光纤28与光开关29上的光开关内部光纤35对接，由于大芯径光纤28输出端面光强分布均匀，注入到芯径为50μm的光开关内部光纤35中的光强将按面积比衰减，这样可以保证采集的光脉冲的稳定性，同时可以附带实现激光功率的监测。
光开关29的输出端通过FC光纤连接器34与芯径为50μm的标准通讯光纤30对接，本地控制计算机3通过RS485总线10控制光开关29切换到指定的通道，快速光电管31对相应通道的固体激光进行光电转换，输出光电脉冲8到数据采集卡2。快速光电管31采用New Port公司的818-BB-21型快速光电管。
数据采集卡2采用了NI公司的PCI-5124示波器卡，采用随机重复采样技术，获取的脉冲波形数据，应用中设定等效采样速率为4GHz，波形平均10次，这样即使采用了200M带宽的数据采集卡2也可以很好地采集很窄的光电脉冲8，应用中固体激光脉冲141～14n或光电脉冲8的半高宽约为60ns，最窄可到40ns。
本实用新型采用本地控制计算机3实现所有的计算、控制和数据处理功能，通过数据处理获得固体激光脉冲141～14n相对基准脉冲12的延迟时间，对激光脉冲时序进行闭环控制，同时一方面将相关的、需要远程监控的数据(如激光器71输出的固体激光脉冲141相对基准脉冲12的延迟时间)传输到远程控制计算机4上显示，另一方面接收并执行远程控制计算机4传来的控制命令(如触发脉冲131相对基准脉冲12的延迟时间的调节)。
远程控制计算机4仅显示人机操作界面，主要用于集中控制，所述界面内包含了需要监视的数据和控制命令。这样可扩展模块15本身就是一个完整的控制系统，这种模块化设计能更好地满足工程化应用的需要，如果多台固体激光器泵浦的染料激光器振放链系统中泵浦固体激光需要扩大规模，只要建立一个相同的可扩展模块15就可以实现扩展，便于工程化应用。本地控制计算机3采用可靠的工业控制机，远程控制计算机4可采用普通计算机，其启动和关闭不会中断装置的控制，提高了可靠性。
分布式手控盒5采用一片MCS-51系列单片机W77E58，利用其标准RS232串行口，经过外置RS232-RS485转换后连接到RS485总线10上与本地控制计算机3通讯，分布式手控盒5上设计有进行延迟时间调节、调节步长设置的按钮，设计有液晶显示器用于显示相关的操作。在多台脉冲固体激光器泵浦染料激光器的应用中，需要在很大空间分布范围内进行现场调节，可以根据需要把多个分布式手控盒5放置在调节现场，这样可以大大提高了调节效率，所有的分布式手控盒5都挂接在RS485总线10上，通过各自的地址进行识别。
应用中固体激光器可以根据需要接入多至几十台，这样就有相应的几十路固体激光脉冲，在多台固体激光器泵浦染料激光器振放链系统的应用中，要求所有固体激光器71～7n输出的固体激光脉冲141～14n的时序保持稳定，不发生漂移，也就是所有的固体激光脉冲141～14n相对基准脉冲12的延迟时间保持稳定，不发生漂移。信号采样单元1每次仅对一路固体激光脉冲进行采样，所述信号采样单元在本地控制计算机3的控制下对多路固体激光脉冲141～14n进行循环扫描采样。固体激光器71～7n为高重频、调Q运行的二倍频输出的脉冲固体激光器，采用国产或进口的产品。
本实用新型的工作过程是：
本地控制计算机3通过RS485串行总线10对信号采样单元1进行多路切换控制，信号采样单元1对多路固体激光脉冲141～14n中的某一路进行采样，以固体激光脉冲141为例，信号采集单元1获得对应固体激光脉冲141的光电脉冲信号8，通过本地控制计算机3的PCI总线9，数据采集卡2在本地控制计算机3的控制下和在延迟信号发生器6输出的基准脉冲12的触发下，将光电脉冲信号8进行数字化，并将数字化数据采集到本地控制计算机3中。
本地控制计算机3通过处理获得固体激光脉冲141相对基准脉冲12的延迟时间，再通过比较所述延迟时间与所述固体激光脉冲141的基准延迟时间，判断所述固体激光脉冲141相对基准脉冲12的时序是否漂移，如发生漂移，就通过GPIB总线11，调节延迟信号发生器6输出的触发脉冲131相对基准脉冲12的延迟时间，实现闭环控制，完成一路控制后，本地控制计算机3通过RS485串行总线10，使信号采样单元1切换到下一通道，对该通道对应的另一路固体激光脉冲的延迟时间进行控制，这样多路固体激光脉冲141～14n的时序关系就时刻保持稳定。
在多台固体激光器泵浦的染料激光振放链系统中，固体激光脉冲141的基准延迟时间的获得过程为：通过调节延迟信号发生器6对应固体激光器71的触发脉冲131相对基准脉冲12的延迟，使该固体激光器71泵浦的染料激光放大器(未图示)的输出功率最大，本地控制计算机测量此时固体激光脉冲141相对基准脉冲12的延迟时间，所述延迟时间即为固体激光脉冲141基准延迟时间。
利用光纤及随机重复采样技术，实现了在计算机中获得了快速光脉冲波形，较长的大芯径采样光纤的使用使采集到的脉冲波形稳定，提高了测量精度。当实时采样速率为200MHz，等效采样速率为4GHz，波形平均10次时。将采集的波形与采样速率为1GHz的TDS5104示波器的测量比较，验证了本实用新型能够在计算机中很好的再现快速光脉冲波形。
本实用新型时序控制系统的测量误差为±0.18ns。因此采用本实用新型可以对脉宽窄至纳秒量级的染料激光器振放链系统进行时序控制。闭环时序控制中，在激光器触发延迟不断飘移，总飘移量超过了150ns的情况下，输出激光脉冲的时序波动(±0.99ns)始终处于要求的范围内(Δt＝±1ns)。并且当关机后重新开机，时序又能准确恢复。
由于采用了模块化设计，便于系统扩展和工程化应用。光开关的使用使一个模块可以对多至几十路固体激光器进行时序控制，降低了成本。分布式手控盒可以大大提高多台固体激光器泵浦的染料激光器振放链系统的调节效率。

Claims (5)

1.一种高精度固体激光脉冲时序控制装置，包括远程控制计算机(4)和分布式手控盒(5)，其特征在于：还包括可扩展模块(15)，可扩展模块(15)利用本地控制计算机(3)、通过RS485总线(10)与远程控制计算机(4)和分布式手控盒(5)连接；可扩展模块(15)包括信号采样单元(1)、数据采集卡(2)、本地控制计算机(3)、延迟信号发生器(6)和多台固体激光器(71～7n)；在可扩展模块(15)中，信号采集单元(1)通过光电脉冲(8)与数据采集卡(2)连接，通过RS485总线(10)与本地控制计算机(3)连接，通过多路固体激光脉冲(141～14n)与对应的多台固体激光器(71～7n)连接，数据采集卡(2)通过PCI总线(9)与本地控制计算机(3)连接，通过基准脉冲(12)与延迟信号发生器(6)连接，延迟信号发生器(6)通过触发脉冲(131～13n)与对应的多台固体激光器(71～7n)连接。
2.根据权利要求1所述的高精度固体激光脉冲时序控制装置，其特征在于：信号采样单元(1)包括光耦合器(21)、光开关(29)和快速光电管(31)；其中光耦合器(21)通过大芯径光纤(28)和FC光纤连接器(32)与光开关(29)连接，光开关(29)通过标准通讯光纤(30)与快速光电管(31)连接。
3.根据权利要求2所述的高精度固体激光脉冲时序控制装置，其特征在于：光耦合器(21)包括分光镜(22)、测量激光(23)、全反镜(24)、采用透过率对角度灵敏分光镜及通过调节其角度进行衰减微调的可调衰减器(25)、吸收型衰减器(26)和耦合透镜(27)。
4.根据权利要求1所述的高精度固体激光脉冲时序控制装置，其特征在于：延迟信号发生器(1)采用DG535，光电脉冲(8)、基准脉冲(12)和多路触发脉冲(131～13n分别采用50Ω电缆传输。
5.根据权利要求1所述的高精度固体激光脉冲时序控制装置，其特征在于：数据采集卡(2)采用PCI-5124示波器卡，本地控制计算机(3)采用工业控制机，远程控制计算机(4)采用普通计算机，分布式手控盒(5)采用一片MCS-51系列单片机W77E58，固体激光器(71～7n)为高重频、调Q运行的二倍频输出的脉冲固体激光器。
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