专利名称：激光单脉冲选择器的同步驱动装置的制作方法
技术领域：
本发明属于激光单脉冲选择技术，用于从锁模激光振荡器的光脉冲系列中选取单一脉冲。
已有技术1.专利EPA069381“带有激光束能量控制的激光装置”(“Laser device having laser beam energy control”)它的电路部分是控制激光束的能量。该装置包括两大部分一部分是脉冲控制的激光振荡器1，另一部分是具有连续波取样、单脉冲生成及脉冲重复率予置的控制电路2。其中控制电路2包括予置电路3，设置脉宽电路4、设置脉冲周期电路5、脉冲计数器6和振荡控制电路7(见图1)。
该发明是用予置脉宽、予置脉冲周期及予置脉冲数的方式，使装置产生一个具有予期脉宽、予期脉冲周期及予期脉冲数的控制脉冲，用以控制激光振荡器，进行控制激光束的能量达到予期值。该发明用于激光手术刀等医疗器械的激光束能量的精确控制，而不能用于选取单脉冲。
2.专利EPA0157047“控制激光二极管的方法与驱动电路”(“Method of and driver circuit for controlling a laser diode”)它是用一个驱动电路来控制激光二极管，从而控制激光器的输出。
驱动电路是由开关电路(一对差分放大器)9、一对射极跟随器11、一个VMOS场效应晶体管12以及激光二极管13等组成(见图2)。
数字输入信号8加到驱动电路上，通过开关电路放大后进入射极跟随器。射极跟随器的输出接VMOS场效应晶体管的栅极，从而使VMOS晶体管随数字信号电平的变化导通或截止。激光二极管与VMOS场效应晶体管串联。当VMOS场效应晶体管导通时，激光二极管输出激光，反之则无激光输出。通过改变输入信号的脉宽，可以改变和控制激光二极管的输出功率。该装置亦不能用于选取单脉冲。
3.专利WO83/03927“改进的射频激光泵浦系统”(“Inproved redio frequency laser pumping system”)该专利中，改进的激光电源能够提供起动激光器所需的高电场。而在激光器运转之后，激光腔的阻抗发生变化时，该装置能够通过自动调节电路使激光腔与射频电源之间达到最佳阻抗匹配，以得到高效率的能量传输。
该发明包括可变阻抗元件16、激光腔17、射频电源14、能感觉激光腔阻抗变化的阻抗传感元件15、半可调电容18、变容二极管A19、变容二极管B20、二极管21、谐振回路22、运算放大器23、电位器24、电感A25、穿心电容26、电感B27(见图3)。它同样不能用于选取单一脉冲。
本发明的目的是为从锁模激光脉冲系列中选取单一脉冲的选择器发明一种同步驱动装置。该装置能够使选择器具有选取单脉冲稳定可靠，选出率能够达百分之百，寿命又长，抖动又小，固有延迟时间短以及灵敏度高的特点。
本发明的驱动装置Q由光电探测器31、同步触发电路32、高压毫微秒脉冲发生器33及直流高压稳压电源34四部分组成。上述四部分是光电探测器输出的电信号57输入到同步触发电路中，同步触发电路连接于高压毫微秒脉冲发生器，高压毫微秒脉冲发生器连接到直流高压稳压电源。
当锁模激光脉冲系列LPT通过起偏振棱镜28、晶体普克尔盒29和检偏振棱镜30时，因起偏振棱镜与检偏振棱镜相互正交，且晶体普克尔盒上没加电压，即处于关闭状态，因此激光束偏离光路而射到光电探测器上。光电探测器将激光脉冲系列转换成电信号加到同步触发电路上，让同步触发电路在要选出的那根单个脉冲到来之前d/2的(其中d为锁模激光脉冲系列中的两个相邻脉冲之间的时间间隔)时刻产生一个触发电脉冲TP，此电脉冲去触发高压毫微秒脉冲发生器，使它产生一个高压毫微秒电脉冲OU，其前沿将晶体普克尔盒打开，让真要选出的那根光脉冲沿光路方向输出去。当这单根光脉冲通过普克尔盒之后，高压毫微秒电脉冲的后沿立刻将晶体普克尔盒关闭。而其余的光脉冲系列(称之为舍弃脉冲系列RT)仍按原方向偏离光路而射到光电探测器上(见图4)。
下面分四部分详述本发明的独到之处(1)驱动装置中的同步触发电路是由可调阈值电平的触发器35、脉冲形成电路36及脉冲放大器37组成。可调阈值电平的触发器与脉冲形成电路连接，脉冲形成电路连接于脉冲放大器上，同时可调阈值电平的触发器与光电探测器连接(见图5)。
可调阈值电平的触发器是由比较放大器61，阈值电平调节电路60、隔直电容58及输入电阻59组成(见图8)。输入电阻一端接地，另一端与隔直电容相连，阈值电平调节电路前端与隔直电容相连，后端与比较放大器相连。
当一锁模激光脉冲系列经光电探测器转变成电讯号后，通过隔直电容加到阈值电平调节电路和比较放大器的输入端。电讯号中低于阈值电平的电脉冲对比较放大器输出端的状态无影响，而高于阈值电平的那根电脉冲使比较放大器产生一个输出电脉冲62。
输出的电脉冲经过脉冲形成电路的整形成为一个具有一定宽度(20-100ns)的电脉冲，再经过脉冲放大器的放大，达到所需要的幅度(1.5伏-10伏)，成为触发电脉冲。
(2)高压毫微秒脉冲发生器电路如图6所示。滤波电容38与限流电阻39接于串连的主导雪崩晶体管串(以下简称主导串)TR1，TR2……TRN-1，TRN。主导串与储能电容40相连，储能电容经过串联的匹配电阻41与串联的随动雪崩晶体管串(以下简称随动串)TR1′，TR2′……TRN-1′，TRN′连接，随动串经过箝位电阻42接地，上述同步触发电路中的脉冲放大器产生的触发电脉冲经过耦合电容43加到主导串中第一只雪崩晶体管TR1上。通常主导串中第一只雪崩晶体管TR1的发射极与随动串中最后一只雪崩晶体管TRN′集电极共同接地。
主导串平时加以直流高压HV，这时储能电容两端的电位差是HV。当脉冲放大器输出的触发电脉冲加到主导串中第一个雪崩晶体管上时，主导串的雪崩晶体管里即雪崩导通。储能电容左端的电位立即跳到地电位。因电容两端的电位差不能突变，所以储能电容右端电位就由原来的地电位一下子跳到负HV电位。储能电容经匹配电阻与随动串相连，随动串上此时一端接地，另一端接负HV，因此随动串也立即雪崩导通，使储能电容右端又回到了地电位。这样在输出端就得到了一个幅度为HV的负高压电脉冲，用此负高压电脉冲控制晶体普克尔盒。上述主导串与随动串中雪崩晶体管的个数N是由普克尔盒的电光晶体半波电压Vλ/2及每个雪崩晶体管的雪崩电压Va决定的，通常N＜ (Vr/2)/(Va) 。
(3)直流高压稳压电源是专门为激光单脉冲选择器而设计的。以集成化的脉冲宽度调制器45为核心，它与功率驱动器46连接，功率驱动器通过脉冲变压器47与倍压整流电路48连接，倍压整流电路经过滤波电路49再接一取样反馈电路(由国定电阻50和可调电阻51串联构成)，以及高压指示电路(由定标电阻52和高压指示表53串联构成)，之后接地。取样反馈电路又反馈回来与脉冲宽度调制器相连接，脉冲宽度调制器同时还连接调节电压予期值电路(由满刻度电阻54和调节高压电位器55串联构成)以及与低压直流电源44连接，取样反馈电路与高压指示电路并联。(见图7)脉冲宽度调制器输出脉宽可调节的连续脉冲，其重复率与功率驱动器的谐振频率一致，以保证输出效率最高。连接脉冲经过功率放大器放大，由升压变压器升压，变为振幅较大的脉冲，经过倍压整流电路的四倍压整流，成为脉动的高压。最后，滤波电路滤除其脉冲部分，得到一个直流高压HV。脉冲宽度调制器的稳压过程是这样的当输出的直流高压因负载的变化或因电源电压的波动而引起变化时，假设这个变化使输出的直流高压比予期值有所升高，则固定电阻50和可调电阻51构成的取样反馈电路反馈到脉冲宽度调制器的反馈量也随之升高，使脉冲宽度调制器输出的脉冲宽度变窄，输出的高压则有所下降，回到予期值;反之，当输出的高压比予期值有所降低时，取样反馈电路反馈到脉冲宽度调制器的反馈量随之减小，使脉冲宽度调制器的输出脉冲宽度变宽，于是输出的高压则回升到予期值。脉冲宽度调制器中所用的误差放大器的增益为80db，它对取样反馈电路的反馈信号足够灵敏，以致能对输出直流高压的微小变化给予精确的调节。加之这个调节过程又是非常迅速的，实际上输出的直流高压就一直稳定在予期值上。
满刻度电阻54和调节高压电位器55是用来设置输出直流高压的予期值，改变调节高压电位器的数值，可以实现对输出的直流高压的连续调节。
(4)光电探测器将接收到的激光脉冲系列变成电信号输入到可调阈值电平的触发器上，为使它们的电平匹配，将光电探测器接成输出负脉冲的形式。它的输出是一系列的负电脉冲56(见图8)。
本发明的优点1.因为单脉冲选择器的同步驱动装置Q中所包括上述四个部分，使选择器的性能稳定，单脉冲选出率为百分之一百。
2.由于同步触发电路中可调阈值电平的触发器35的触发阈值电平可以调节，它能够人为地将单脉冲置于最佳位置上。也可以根据实验工作的需要，将单脉冲置于任何予期的位置上。
3.当阈值电平固定在每一个数值上时，单脉冲选择器都能按其要求使单脉冲选在同一位置上，因此单脉冲的幅度也比较稳定。既使在振荡器的输出激光脉冲系列的幅度有些起伏时，单脉冲的位置会自动前移或后移，使选出的单脉冲的幅度稳定或变化很小，从而保证了单脉冲幅度稳定度优于振荡器输出的激光脉冲系列的幅度稳定度。
4.由于在高压毫微秒脉冲发生器中全部使用了长寿命的雪崩晶体管，而且所用的雪崩晶体管经过了严格筛选，其具有良好的一致性，这就延长了高压毫微秒脉冲发生器的使用寿命，从而延长了单脉冲选择器的使用寿命，其寿命大于107次。
5.因同步触发电路稳定性好，加之高压毫微秒脉冲发生器产生的高压毫微秒脉冲的幅度及脉冲宽度均很稳定，所以同步驱动装置的抖动小，小于1ns。
6.调节光电探测器与可调阈值电平触发器之间同轴电缆的长度，可将高压毫微秒电脉冲的阈值对准欲选取的单一光脉冲，这便提高了前置光脉冲的隔离比。
7.因同步触发电路中可调阈值电平触发器的灵敏度高到1mv量级，阈值电平比较低时，很弱的激光信号就可使同步触发电路工作。所以本发明对功率较小的锁模激光器照样实用。
8.因同步触发电路的固有延迟时间短(小于20ns)，当锁模激光器的光脉冲系列只有六、七根脉冲时，本发明也能正常工作。
9.本装置无电磁干扰，能保证与激光器配套使用的其他仪器正常工作。而本装置自身抗干扰能力强，能稳定地工作在强电磁场干扰的情况下，使用方便，安全。
10.因高压毫微秒脉冲发生器全部采用雪崩晶体管电路，所以本发明不仅能用于几赫兹到几十赫兹重复率的锁模激光器，而且也可以用于重复率更高的锁模激光器。
11.本发明中直流高压稳压电源性能好，能从零到五千伏连续可调，可以把高压毫微秒电脉冲的幅度精确地调节在晶体普克尔盒的半波电压V上，将单一光脉冲完整、准确地选出。又因调节好以后的高压能够自动地稳定在这一予期电压值上，所以也保证了高压毫微秒电脉冲的幅度稳定，从而使选出的单一光脉冲幅度稳定。
图1.控制激光束能量的激光装置方块图(专利EPA069381)图中1-激光振荡器2-激光束能量控制装置3-予置电路4-设置脉宽电路5-设置脉冲周期电路6-设置脉冲计数器7-振荡控制电路LB-激光束图2.控制激光二极管的驱动器电路图(专利EP0157047)图中8-输入数字信号9-开关电路10-传输电缆11-一对射极跟随器12-VMOS场效应晶体管
13-激光二极管V++-电源正电压V+-固定偏置电压V--予选电源电压图3.改进的射频激光泵浦系统电路图(专利WO/03927)图中14-射频电源15-阻抗传感器元件16-可变阻抗元件17-激光腔(等效电路)18-半可变电容19-变容二极管A20-变容二极管B21-二极管22-谐振回路23-运算放大器24-电位器25-电感A26-穿心电容27-电感B图4.激光单脉冲选择器的方块中28-起偏振棱镜29-晶体普克尔盒
30-检偏振棱镜31-光电探测器32-同步触发电路33-高压毫微秒脉冲发生器34-直流高压稳压电源LPT-激光脉冲系列SP-单脉冲Q-本发明的激光单脉冲选择器的同步驱动装置RT-舍弃脉冲系列RV-阈值电平图5.本发明中同步触发电路方块图35-可调阈值电平的触发器36-脉冲形成电路37-脉冲放大器TP-触发电脉冲图6.本发明中高压毫微秒脉冲发生器电路HV-直流高压38-滤波电容39-限流电阻40-储能电容41-匹配电阻42-箝位电阻43-耦合电容
OU-高压毫微秒电脉冲TR1，TR2…TRN-1，TRN-主导串中的雪崩晶体管TR1′，TR2′…TRN-1′，TRN′-随动串中的雪崩晶体管r1，r2…rN-1，rN-主导串偏置电阻r1′，r2′…rN-1′，rN′-随动串偏置电阻R1，R2…RN-1，RN-均压电阻其中N为主导串和随动串中雪崩晶体管的个数。
图7.本发明中直流高压稳压电源方块图44-低压直流电源45-脉冲宽度调制器46-功率放大器47-脉冲变压器48-倍压整流电路49-滤波电路HV-直流高压50-固定电阻51-可调电阻52-定标电阻53-高压指示表54-满刻度电阻55-调节高压电位器56-调节频率电位器图8.本发明中可调阈值电平的触发器电路图
57-光电探测器输出的电脉冲58-隔直电容59-输入电阻60-调节阈值电平电路61-比较放大器62-比较放大器输出的电脉冲63-线性接收器VBB-线性接收器输出的基准电压图9.用本发明的同步驱动装置的激光单脉冲选择器所选取的激光单脉冲照片实施例1用本发明的同步驱动装置如图4，5，6，7，8所示。所用激光器是YAG锁模激光振荡器，它的波长为1.06μm选用PIN型硅光二极管作光电探测器。它输出负的电脉冲信号的峰值为3伏。
可调阈值电平的触发器中比较放大器采用超高速ECL电路之线性接收器SE116，脉冲形成电路采用超高速ECL电路之或非门电路SE105，脉冲放大器采用超高频晶体管2G711。同步触发电路中的脉冲放大器输出的触发电脉冲的幅度为10伏，脉冲宽度为20ns。触发电脉冲产生的时刻为要选的那根光脉冲到来之前d/2＝5ns，即光脉冲系列中相邻两脉冲之间隔d＝10ns。
高压毫微秒脉冲发生器中的主导串与随动串都采用2N5551雪崩晶体管，选择的雪崩晶体管电压均一性在±3V之内。均压电阻R1，R2…RN为1MΩ。主导串偏置电阻r1，r2…rN与随动串偏置电阻r1′，r2′…rN′都为51Ω。主导串与随动串晶体管的数目N＝14。输出高压毫微秒电脉冲的幅度为4100伏。
直流高压电源中所采用的脉冲宽度调制器为SG3524。连续脉冲的重复率为15KHz。
用上述装置对YAG锁模激光振荡器进行选取单一光脉冲，然后将选出的单一光脉冲进行回程放大(Four-pass amplification)，在放大了七百倍之后，单脉冲仍然干净，有高的隔离比，如图9所示。
实施例2用本发明的同步驱动装置，如图4，5，6，7，8所示，采用的元件除脉冲放大器采用2G913超高频晶体管外，其他元件与实施例1相同。
同步触发电路输出的触发电脉冲幅度为6伏，宽度为50ns，触发电脉冲产生在要选取的单一光脉冲到来的前d/2＝4ns时刻，即d＝8ns。
高压毫微秒电脉冲的幅度为4850伏，主导串与随动串的雪崩晶体管个数N＝16。
高压电源中连续脉冲重复率为18KHz。
此同步驱动装置用于测试、研究YAG锁模激光振荡器的光脉冲系列中每根光脉冲的特性。对每根光脉冲逐一进行选取，选出后的单一脉冲用条纹像机进行拍照，得到了满意的实验结果。
实施例3用本发明的同步驱动装置，如图4，5，6，7，8所示，使用元件同实施例1。
同步触发电路输出的触发电脉冲的脉宽为100ns，幅度为1.5伏。触发电脉冲产生在要选的那根单一光脉冲到来之前d/2＝7.5ns，即光脉冲系列中相邻两脉冲之间隔d＝15ns。
高压毫微秒脉冲的幅度为3800伏，主导串与随动串中雪崩晶体管的个数N＝13。
直流高压稳压电源的连续脉冲重复率为14KHz。
用该同步驱动装置对YAG锁模激光器进行选取单个光脉冲，选出后的单个光脉冲加到半导体硅开关上去整形，变成前沿更为陡峭的激光单脉冲，然后进行放大。
上面三例中的锁模激光器均为每秒几次的重复率激光器。
本发明的同步驱动装置用于上述三种选择器上，经过长时间的运行，一直是稳定可靠，寿命均大于107次，选出率达到百分之一百，抖动小于1ns，固有延迟时间短于20ns。
权利要求
1.一种激光单脉冲选择器的同步驱动装置，其特征在于光电探测器输出的电信号输入到同步触发电路中，同步触发电路连接于高压毫微秒脉冲发生器，高压毫微秒脉冲发生器连接有直流高压稳压电源，其中(1)同步触发电路是可调阈值电平的触发器与脉冲形成电路连接，脉冲形成电路与脉冲放大器相连，同时，可调阈值电平的触发器又与光电探测器相连，(2)高压毫微秒脉冲发生器是由高压输入端经滤波电容与限流电阻连接于主导雪崩晶体管串(简称主导串)，主导串串接储能电容和匹配电阻与随动雪崩晶体管串(简称随动串)相连，随动串通过箝位电阻接地，上述同步触发电路产生的触发电脉冲经过耦合电容加到主导串中的第一个晶体管上，(3)直流高压稳压电源是以集成化的脉冲宽度调制器为核心，脉冲宽度调制器与功率驱动器连接，功率驱动器通过脉冲变压器与倍压整流电路相连，倍压整流电路经过一滤波电路再接于并联的取样反馈电路和高压指示电路，其中取样反馈电路又反馈回来与脉冲宽度调制器连接，脉冲宽度调制器同时还连接一调节电压予期值电路以及一个低压直流电源。
2.根据权利要求1所述的一种激光单脉冲选择器的同步驱动装置，其特征在于高压脉冲发生器中主导串是由一串雪崩晶体管TR1，TR2……TRN-1，TRN串联构成，随动串也是由一串雪崩晶体管TR1′，TR2′……TRN-1′，TRN′串联构成，其中N为主导串或随动串中所用的晶体管个数。
3.根据权利要求1或2所述的一种激光单脉冲选择器的同步驱动装置，其特征在于主导串或随动串中晶体管的个数N＜Vλ/2/Va，其中Vλ/2为选择器中普克尔盒的电光晶体半波电压，Va为单个雪崩晶体管的雪崩电压。
4.根据权利要求1或2所述的一种激光单脉冲选择器的同步驱动装置，其特征在于通常是主导串中第一只雪崩晶体管TR1的发射极与随动串中最后一只雪崩晶体管TRN′的集电极共同接地。
5.根据权利要求1所述的一种激光单脉冲选择器的同步驱动装置，其特征在于可调阈值电平的触发器是由输入电阻的一端接地，一端与隔直电容相连，阀值电平调节电路的前端与隔直电容相连，后端连接一个比较放大器所构成。
6.根据权利要求1所述的一种激光单脉冲选择器的同步驱动装置，其特征在于光电探测器给出的是负电压电脉冲信号。
7.根据权利要求1所述的一种激光单脉冲选择器的同步驱动装置，其特征在于直流高压稳压电源中取样反馈电路是固定电阻和可调电阻串联而成。
8.根据权利要求1所述的一种激光单脉冲选择器的同步驱动装置，其特征在于直流高压稳压电源中高压指示电路由定标电阻和高压指示表串联而成。
9.根据权利要求1所述的一种激光单脉冲选择器的同步驱动装置，其特征在于直流高压稳压电源中调节电压予期值电路由满刻度电阻和调节高压电位器串联而成。
全文摘要
本发明是一种激光单脉冲选择器的同步驱动装置，它是由输出负电压脉冲信号的光电探测器，由可调阈值电平触发器，脉冲形成电路和脉冲放大器构成的同步触发电路，由电阻电容、主导雪崩晶体管串和随动雪崩晶体管串等构成的高压毫微秒脉冲发生器和以集成化的脉冲宽度调制器为核心的连接有功率驱动器、取样反馈电路，调节电压预期值电路和低压直流电源的直流高压稳压电源四大部分组成的。这种结构的同步驱动装置使选择器具有选取单脉冲稳定可靠，选出率可达到100％，寿命大于10
文档编号H01S3/10GK1062625SQ9010610
公开日1992年7月8日 申请日期1990年12月18日 优先权日1990年12月18日
发明者莽燕萍, 张秉钧 申请人:中国科学院上海光学精密机械研究所