专利名称：高精度固体激光脉冲时序控制装置的制作方法
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50Q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7i 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。
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。
糾
1 3
信
号采样单元
本地控制计算机 分布式手控盒 -7 固体激光器 PCI总线 GPIB总线 、13n触发脉冲 可扩展模块 28大芯径光纤
7广
9
11
13!
15
数据采集卡 远程控制计算机 延迟信号发生器 光电脉冲
2 4 6 8
10 RS485总线 12基准脉冲 l+ 1《固体激光脉冲 21光耦合器 29光开关 31快速光电管
30标准通讯光纤 32、 33、 34 FC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l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7i、 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l+ 14n与对应的多台
固体激光器7
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13, 13n与对应的多台固体激光器7i 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13, 13n分别采用 50Q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7i 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7i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14中分出测量激光23(约 l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50|im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50^im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l+ l《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1A 1《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7i输出的固体激光脉冲1+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13,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7i 7n输出的固体激光脉冲l+ 14。的时
序保持稳定，不发生漂移，也就是所有的固体激光脉冲1《 14。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14 14进行循环扫描采样。固体激光 器7, 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14i 14n中的某 一路进行采样，以固体激光脉冲l么为例，信号采集单元1获得对应固体 激光脉冲H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14i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14i的基准 延迟时间，判断所述固体激光脉冲14i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ll，调节延迟信号发生器6输出的 触发脉冲13i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14t 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 1^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7i的触发脉冲13,相对基准脉冲12的延迟，使该固体激光器 7,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14i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14i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lGHz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士O. 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 (△t=±lns)。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。
权利要求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(13i 13n)分别采用50Q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(7! 7J 为高重频、调Q运行的二倍频输出的脉冲固体激光器。
专利摘要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。
文档编号G05B19/02GK201072498SQ20072009713
公开日2008年6月11日 申请日期2007年8月20日 优先权日2007年8月20日
发明者但勇军, 张云兴, 张晓卫, 谈小虎, 陈志理 申请人:核工业理化工程研究院