准分子激光低抖动延时同步系统_胡泽雄.pdf
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1、第 40 卷 第 1 期量 子 电 子 学 报Vol.40 No.12023 年 1 月CHINESE JOURNAL OF QUANTUM ELECTRONICSJan.2023DOI:10.3969/j.issn.1007-5461.2023.01.008准准准分分分子子子激激激光光光低低低抖抖抖动动动延延延时时时同同同步步步系系系统统统胡泽雄1,2,游利兵2,3,5,寸 超2,王宏伟2,范 军2,王 琪4,张艳琳2,方晓东1,2,3(1 中国科学技术大学环境科学与光电技术学院,安徽 合肥 230026;2 中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所,安徽省光子器件与材料重点实验室
2、,安徽 合肥 230031;3 深圳技术大学新材料与新能源学院,广东 深圳 518118;4 合肥工业大学电子科学与应用物理学院,安徽 合肥 230009;5 深圳盛方科技有限公司,广东 深圳 518173)摘要:准分子激光放大技术可将固体掺钛蓝宝石飞秒激光器通过频率转换后得到的小能量深紫外飞秒脉冲放大为大能量深紫外飞秒脉冲。为了满足准分子激光器与固体飞秒激光器之间同步工作的需要,设计了一种准分子激光低抖动延时同步系统。该系统采用现场可编程门阵列(FPGA)数字延时和可编程延时芯片延时相结合的方法,利用时间测量芯片实现对延时时间的闭环控制从而提高系统延时的稳定性,最终实现对外触发脉冲信号的精确
3、延时。验证实验表明,该系统在 1100 Hz 频率下运行稳定,输出触发脉冲信号延时范围为 56 ns2.4 s,理论延时步进为 10 ps,抖动在 1 ns 内,完全满足飞秒激光器与准分子激光器同步工作的需要。关 键 词:激光技术;延时;低抖动;同步;现场可编程门阵列;时间测量中 图 分 类 号:TN248.2文 献 标 识 码:A文章编号:1007-5461(2023)01-00069-10Time-delay synchronization system with low jitter for excimer laserHU Zexiong1,2,YOU Libing2,3,5,CUN C
4、hao2,WANG Hongwei2,FAN Jun2,WANG Qi4,ZHANG Yanlin2,FANG Xiaodong1,2,3(1 School of Environmental Science and Optoelectronic Technology,University of Science and Technology of China,Hefei 230026,China;2 Anhui Province Key Laboratory of Photonic Devices and Materials,Anhui Institute of Optics andFine M
5、echanics,HFIPS,Chinese Academy of Sciences,Hefei 230031,China;3 College of New Materials and New Energies,Shenzhen Technology University,Shenzhen 518118,China;4 School of Electronic Science and Applied Physics,Hefei University of Technology,Hefei 230009,China;5 Shenzhen Shengfang Technology Company
6、Ltd.,Shenzhen 518173,China)Abstract:Excimer laser amplification technology can amplify the low-energy deep ultraviolet fem-tosecond pulse obtained by solid Ti:Sapphire femtosecond laser through frequency conversion into thehigh-energy deep ultraviolet femtosecond pulse.In order to meet the requireme
7、nt of synchronization基金项目:国家自然科学基金(41627803),安徽省重点研究和开发计划项目(1804a0802219),深圳市科技计划资助项目(KQT-D20170331115422184),中国科学院核心关键技术攻关项目(ZKYXG-2018-04)作者简介:胡泽雄(1996-),研究生,安徽桐城人,主要从事激光技术应用方面的研究。E-mail:HZX导师简介:方晓东(1963-),博士,安徽桐城人,研究员,从事激光技术及应用与光电子材料及器件方面的研究。E-mail:收稿日期:20210315;修改日期:20210517通信作者。E-mail:70量 子 电 子
8、 学 报40 卷between excimer laser and femtosecond laser,a time-delay synchronization system with low jitter forexcimer laser has been designed.The system adopts the method that combines field programmablegate array(FPGA)digital delay and programmable delay chip delay,uses the time measurement chip toach
9、ieve the closed-loop control of delay time to improve the stability of the systems delay output,andfinally realize the accurate delay of external trigger pulse signal.The verification experiments show thatthe system operates stably at 1-100 Hz frequency,the delay time range of output pulse signal is
10、 56 ns-2.2s,the theoretical delay step is 10 ps,and the jitter is less than 1 ns,which fully meets the requirementof synchronization between femtosecond laser and excimer laser.Key words:laser technology;delay;low jitter;synchronization;field programmable gate array;timemeasurement0引言准分子激光器是目前紫外波段输出
11、功率最大的激光器件,在工业、医疗、科研等领域均有广泛的应用。在科研领域中,准分子激光器可用于材料科学、表面科学和光谱学等学科的研究,如激光剥蚀、激光诱导荧光、脉冲激光沉积;在工业领域中,其主要集中应用于微加工和材料表面改性等方面,如半导体光刻、低温硅退火、高密度电路板制作以及布拉格光栅制作等;在医疗领域中,准分子激光器主要应用于眼科和皮肤病治疗1。准分子激光器具有宽频带和工作介质密度低等特性,在放大超短脉冲方面表现出独特的优势。固体掺钛蓝宝石激光器输出红外飞秒脉冲,将该脉冲直接进行频率转换或将其先进行放大再利用频率转换技术可得到紫外脉冲激光,将该紫外脉冲激光作为种子光,再利用准分子激光器实现放
12、大,可将微焦量级飞秒紫外激光脉冲放大到毫焦级大能量输出。而准分子激光器作为放大器实现对种子光的放大,要求飞秒激光器和准分子激光器在时间上精确同步,即种子光与准分子激光的快放电同步,从而使种子光进入准分子激光器时处于最佳增益状态2。目前国外的脉冲延时设备技术指标高且功能完善,应用普遍性强,如美国 BNC 公司生产的 745T 等产品,但这些设备没有涉及到温度等因素对元器件的影响,不具备反馈调节的功能。同时,这些设备一般是电信号输入输出,没有考虑在准分子激光器高电磁干扰环境下运行的情况,不能很好地满足准分子激光器与外部设备的同步需求。国内对于脉冲延时同步系统的研究基本是由高校和研究所等科研机构进行
13、,多用于特定设备,如超高速分幅相机等3。对于准分子激光延时同步系统大多采用内触发方式,同时延时精度较低,最高为 1 ns4,目前针对准分子激光器与其他设备之间外触发脉冲的高精度延时同步系统的研发尚未有深入的研究。本文针对脉冲延时的精度和抖动问题展开分析和研究,设计和研制了一种低抖动的延时同步系统,以满足准分子激光器与飞秒激光器同步的要求。1准分子激光低抖动延时同步系统整体设计如图 1 所示,准分子激光低抖动延时同步系统主要由 FPGA 主控模块、可编程延时芯片(PDC)细延时模块、TDC-GP22 时间测量模块与单片机(SCM)数据处理模块组成。FPGA 主控模块用于捕获外部触发信号上升沿、对
14、外部触发信号进行 10 ns 步进的粗延时、处理 PDC 细延时模块需要接收的数据、接收单片机处理后的时间差信号以及控制准分子激光器充放电等;PDC 细延时模块实现外部触发信号10 ps 步进的细延时,同时将延时后的准分子激光触发脉冲信号作为光信号输出;TDC-GP22 时间测量模块实现对飞秒激光器触发信号与准分子激光器触发信号时间差的测量,同时将时差数据通过串行外设接第 1 期胡泽雄等:准分子激光低抖动延时同步系统71口(SPI)发送给单片机;单片机数据处理模块实现 TDC-GP22 时间测量数据的读取并进行处理,再将处理后的数据发送给 FPGA 主控模块。图 1准分子激光低抖动延时同步系统
15、框图Fig.1Block diagram of time-delay synchronization system with low jitter for excimer目前常见的准分子激光器放电回路如图 2 所示。高压电源在充电使能信号作用下对储能电容 C1 充电,当 C1 上的电压值达到充电信号设定的电压值时,高压电源停止工作,此时储能电容 C1 的电压保持不变;随后准分子激光触发脉冲信号控制闸流管 K 导通,C1 上的电荷向放电电容 C2 转移;当 C2 两端电压上升到临界值时,放电腔的工作气体被击穿放电,产生准分子激光输出5,6。在这个过程中,当种子光进入准分子激光放大区时,准分子激光
16、需要精确同步放电,而准分子激光放电是通过准分子激光触发脉冲信号控制闸流管 K 导通来控制的,即需要控制种子光与准分子激光器触发脉冲信号的时序同步。由于气体击穿需要高电压、大电流,在准分子激光放电过程中会带来强电磁干扰7,故而系统的输入输出信号均通过光纤进行信号传输,从而有效抑制准分子激光电磁干扰对系统的影响。图 2准分子激光器的典型放电回路Fig.2Typical discharge circuit for excimer lasers2FPGA 与可编程延时芯片模块设计2.1FPGA 主主主控控控模模模块块块设设设计计计FPGA 主控模块的设计如图 3 所示,其核心是处理芯片,处理芯片的外围
17、电路包括光纤发送模块、光纤接收模块、电平接收模块等。FPGA 通过锁相环(PLL)电路将外围的 50 MHz 的主频晶振倍频到 200MHz;FPGA 利用内部逻辑门产生不同频率的充电电压信号,通过 OUT2 输出口发送给光纤发射器以完成电光转换,将充电电压信号以光信号形式发送给准分子激光器;FPGA 接收外部触发信号并捕获其上升沿,通过对外部触发信号频率的测算控制充电使能信号的频率,通过 OUT3 输出口发送到光纤发射器72量 子 电 子 学 报40 卷完成电光转换以光信号形式发送给准分子激光器,使得准分子激光器在下一个脉冲触发信号到来前完成对充电电容 C1 的充电,从而降低充电电容长时间处
18、于充电状态对闸流管寿命的影响。通过 200 MHz 的PLL 时钟,利用 FPGA 内部的逻辑门计数器实现对 10 ns 步进的粗延时8,将粗延时后的准分子激光触发信号通过 OUT1 输出口发送给可编程延时芯片模块,同时通过 D0:9 控制可编程延时芯片模块细延时时间。图 3FPGA 主控模块设计框图Fig.3Block diagram of FPGA main control module design2.2可可可编编编程程程延延延时时时芯芯芯片片片模模模块块块细细细延延延时时时设设设计计计可编程延时芯片模块细延时部分通过安森美公司生产的 MC100EP195 芯片完成 10 ns 内的时间
19、延时,该芯片可以实现在 2.212.4 ns 内以 10 ps 步进精确调整延时时间,MC100EP195 的内部逻辑图如图 4所示9。延迟单元包含一个可编程门阵列和一个多路复用器。借助控制信号 LEN 在 10 条输入数据线D9-D0 中设置所需的延迟时间,脉冲信号从输入端到输出端的延时时间为Tdelay=Dts+t,(1)式中:D 为数据线 D9-D0 的组合输入,其值为 20210 1;ts为其延时步进;t为固定初始延迟时间,这是芯片内置的多路复用器导致的,t=2.4 ns。故而 MC100EP195 的可编程延时时间约为 2.212.4 ns。若延时 10 ps,则设置 D9-D0 的
20、值为 0000000001;若延时 1 ns,则设置 D9-D0 的值为 000110010010。图 4MC100EP195 可编程延迟芯片的逻辑图Fig.4Logic diagram of the MC100EP195 programmable delay chipMC100EP195 采用低压正发射极耦合(LVPECL)电平传输信号,使用安森美公司生产的 M-C100LVELT20 芯片,将 FPGA 粗延时后发送给可编程延时芯片模块的触发脉冲信号由 LVCMOS 电第 1 期胡泽雄等:准分子激光低抖动延时同步系统73平转换为 LVPECL 电平,使用安森美公司生产的 MC100ELT2
21、1 芯片将可编程延时芯片细延时后输出的触发脉冲信号由 LVPECL 电平转换为 TTL 电平,并发送给光纤发射器转换成光信号作为低抖动延时同步系统的输出信号11,12。3TDC-GP22 时间测量模块设计图 5 为 MC100EP195 实测延时与输入延时,温度对其延时时间的影响最大可以达到 1.5 ns,而且随着延时时间的增大,温度对其影响越来越明显。同时整个系统的硬件固有延时等也对温度的变化比较敏感13,14。使用 TDC-GP22 时间测量模块对输出脉冲信号与外部触发信号的时间差进行测量,将测得时间差数据通过单片机进行实时处理,用以在下次延时处理时对可编程延时芯片的细延时时间进行微调,实
22、现对延时时间的闭环控制,从而提高延时稳定性15。图 5MC100EP195 实测延时与输入延时Fig.5Measured delay and input delay of MC100EP1953.1TDC-GP22 时时时间间间测测测量量量模模模块块块TDC-GP22 是 ACAM 公司生产的双通道时间数字转换器,用于测量两脉冲信号的时间差,捕获方式为上升沿捕获或者下降沿捕获,最多可以同时捕获 4 个脉冲,其芯片内部逻辑图与外围电路图如图 6 所示。TDC-GP22 芯片有两种测量模式及多种测量方式1618。测量模式一可测量 3.5 ns2.4 s 的时间范围,可选择 2 个 STOP 通道相
23、对于 1 个 STA 通道或 1 个 STOP 通道相对于 1 个 STA 通道两种方式;测量模式二可测量 500 ns4 ms 的时间范围,测量方式为 1 个 STOP 通道对应 1 个 STA 通道1921。系统使用图 6TDC-GP22 芯片内部逻辑图与外围电路图Fig.6Internal logic diagram and peripheral circuit diagram of TDC-GP22 chip74量 子 电 子 学 报40 卷测量模式一中 2 个 STOP 通道相对于 1 个 STA 通道的方式,输入信号主要为起始触发信号 STA、飞秒激光器触发脉冲信号(即系统输入触发
24、脉冲信号)STOP1、准分子激光器触发脉冲信号(即系统输出触发脉冲信号)STOP2。该方式测量范围为 3.5 ns2.4 s,典型精度为 90 ps,测量方式为在捕获 STA 信号上升沿后的 2.4 s 内进行信号 STOP1 与 STOP2 上升沿的捕获,分别测量 STOP1 与 STA 之间的时间差 t1、STOP2 与 STA 之间的时间差 t2,再计算两者之差,输出的则是 STOP1 与 STOP2 之间的相对时间差。3.2通通通信信信协协协议议议TDC-GP22 通过四线 SPI 控制,分别为片选(SSN)、时钟(SCK)、数据接收(SI)、数据发送(SO),通过 SPI 通信对 G
25、P22 进行寄存器配置、数据读取、控制指令等操作。除了 SPI 通信接口之外,还包括复位信号 RTN 与中断信号 INT,TDC-GP22 复位操作可通过单片机控制 RTN 信号处于低电平复位,而中断信号在发出测量的指令后,信号处于高电平,当有信号被捕获成功后,信号拉低,通过这种方式单片机可以高效率地进行数据读取。3.3时时时差差差数数数据据据处处处理理理使用 STM32 单片机对 TDC-GP22 的数据进行实时处理,具体型号为 STM32F103CBT6。通过 IO 口PB1、PB2、PB3、PB4 与 TDC-GP22 模块的 SSN、SCK、SI、SO 相连进行 SPI 协议通信;通过
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