用于飞秒激光放大装置中的电子同步时序控制系统

摘要

本发明公开一种用于飞秒激光放大装置中的电子同步时序控制系统，包括：一个方波信号发生器，用于产生总时钟控制信号；一个光电探测器，用于接收种子激光的锁模信号；四个延时器，用于产生不同时序的信号，分别为第一延时器、第二延时器、第三延时器和多路延时器；一个倍频器，用于产生较高频率的信号；两个扑克尔盒同步驱动器，分别为第一扑克尔盒同步驱动器，用于控制一个扑克尔盒进行激光脉冲选单与倒空；第二扑克尔盒同步驱动器，用于控制另一个扑克尔盒进行激光脉冲选单。本发明除了适用于已有技术所涉及的激光放大装置类型外，主要还适用于放大装置中各放大级的泵浦源所用激光器的脉冲重复频率不同的情况，具有更大的适用范围。

说明书

技术领域

本发明涉及电子同步时序控制技术领域，特别是涉及太瓦级飞秒激光放大装置中所需的高精度电子同步时序控制系统

背景技术

飞秒超强激光是近十年来激光技术和物理学最前沿的研究内容之一，由于这一研究领域的持续快速发展，目前人们在实验室已能得到10²²W/cm²量级的光场强度。在这种超高强度光场的作用下，物质将表现出前所未有的极端非线性效应，并导致出许多全新的物理现象和物理问题，从而为人们取得创新的学术思想提供了重要的前沿研究平台。目前，这种飞秒超强激光平台不仅已成为人们认识自然科学新规律的重要工具之一，同时也推动着许多新学科，如台面核物理、实验室天体物理、超快X射线激光、快点火激光核聚变等学科的形成和快速发展，是近十年来最具有突破性意义的基础科学研究课题之一。

基于啁啾脉冲放大技术原理的太瓦级飞秒激光放大系统是目前实验室获得飞秒超强激光的最主要的装置，该装置除了要求具备高精密的光学系统元件外，还要求具备高精密的电控系统，因为欲实现激光放大，种子光与泵浦光必须同步，各级放大单元之间也必须同步，同时种子光、泵浦光以及各级放大单元之间也需有特定的时序，所有这些都必须通过高精度的电子控制系统来完成，电控系统的性能将直接决定着整个激光脉冲放大装置的成功与否，其精度也直接控制着最终输出的脉冲能量的大小和稳定性。因此，电子同步时序控制系统对于太瓦级飞秒激光放大装置是极其重要的，追求这样高精度的电控系统是极具价值的。

不同结构的飞秒激光放大装置所需的电子同步时序控制系统也是有很大区别的。现在常见的太瓦级飞秒激光放大装置中各放大级的泵浦源所用激光器的脉冲重复频率是相同的，甚至是相同类型的激光器，此类飞秒激光放大装置所需的电控系统相对简单，例如美国光谱物理公司商品化的飞秒激光放大装置，其各级放大所用的泵浦源均是相同脉冲重复频率的YAG(钇铝石榴石)激光器，它的电子同步时序控制系统仅由一个方波信号发生器、一个200μs左右的延时器和两个扑克尔盒同步驱动器组成。当前，由于某些特殊需要，一些太瓦级飞秒激光放大装置中各放大级泵浦源激光器的脉冲重复频率是不同的，甚至是不同类型的激光器，此类飞秒激光放大装置所需电控系统就相对复杂的多，例如，初级放大所用的泵浦源是输出脉冲重复频率为1kHz的由半导体连续泵浦的激光器，而后面的放大级所用的泵浦源是脉冲重复频率为10Hz的YAG激光器，该飞秒激光放大装置所需的电子同步时序控制系统就是本发明所涉及的电控系统，目前尚未见此类型的飞秒激光放大装置所需电控系统的产品，本发明就是针对此类型的太瓦级飞秒激光放大装置而设计的。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明的目的是提供一种既能用于各放大级所用泵浦源输出脉冲重复频率相同的飞秒激光放大装置，又能用于初级放大所用的泵浦源输出脉冲重复频率与后面的放大级不同的飞秒激光放大装置的电子同步时序控制系统。

为实现上述目的，本发明提供一种用于飞秒激光放大装置中的电子同步时序控制系统，包括：

一个方波信号发生器，用于产生总时钟控制信号；

一个光电探测器，用于接收种子激光的锁模信号；

四个延时器，用于产生不同时序的信号，分别为第一延时器、第二延时器、第三延时器和多路延时器；

一个倍频器，用于产生较高频率的信号，所述倍频器的倍频原理是通过输入信号的上升沿定时触发分频开关的方式实现输入信号到输出信号的倍频过程；

两个扑克尔盒同步驱动器，分别为第一扑克尔盒同步驱动器，用于控制一个扑克尔盒进行激光脉冲选单与倒空；第二扑克尔盒同步驱动器，用于控制另一个扑克尔盒进行激光脉冲选单。

进一步：

所述方波信号发生器输出的信号分为三路，第一路输入第一延时器，第二路输入飞秒激光放大装置中的第一YAG激光器的氙灯开关触发输入端，第三路输入飞秒激光放大装置中的第二YAG激光器的氙灯开关触发输入端；

所述第一延时器输出的信号分为两路，第一路输入所述倍频器，第二路输入所述第二延时器；

所述第二延时器输出的信号输入所述第二扑克尔盒同步驱动器的外触发输入端；

所述倍频器包括外控脉冲信号发生器、脉冲信号合成器，所述外控脉冲信号发生器的输入端与所述脉冲信号合成器的第一输入端相连通，所述外控脉冲信号发生器的输出端与所述脉冲信号合成器的第二输入端相连通，所述倍频器输出的信号分为两路，第一路输入飞秒激光放大装置中的LD泵浦的kHz激光器的Q开关触发输入端，第二路输入所述第三延时器；

所述第三延时器输出的信号输入所述第一扑克尔盒同步驱动器的外触发输入端；

所述第一扑克尔盒同步驱动器的第一延时输出端输出的信号输入飞秒激光放大装置中的第一扑克尔盒的选单触发输入端，第二延时输出端输出的信号输入第一扑克尔盒的倒空触发输入端；

所述光电探测器输出的信号分为两路，第一路输入所述第二扑克尔盒同步驱动器的RF输入端，第二路输入所述第一扑克尔盒同步驱动器的RF输入端；

所述第二扑克尔盒同步驱动器的延时输出端输出的信号输入飞秒激光放大装置中的第二扑克尔盒的选单触发输入端，同步输出端输出的信号输入所述多路延时器的外触发输入端；

所述多路延时器的第一延时输出端输出的信号输入飞秒激光放大装置中的第二YAG激光器的Q开关触发输入端，第二延时输出端输出的信号输入飞秒激光放大装置中的第一YAG激光器的Q开关触发输入端。

进一步：

所述方波信号发生器输出的信号的频率为10Hz；

所述光电探测器采用PIN光电二极管，是快响应光电二极管，其对光波响应的峰值波长为760nm；

所述第一延时器是180μs～240μs延时连续可调；

所述第二延时器和第三延时器是2μs～4μs延时连续可调；

所述多路延时器的各路延时输出相对于输入信号均是0～2μs延时连续可调；

所述倍频器的输入频率为10Hz，输出频率为1kHz；

所述第一扑克尔盒同步驱动器和第二扑克尔盒同步驱动器的RF输入是所述光电探测器输出的70MHz～80MHz锁模电脉冲信号，其内置延时器是0～1μs延时连续可调。

进一步：

所述方波信号发生器的输出阻抗为50Ω，绝对频率稳定度为5×10^-6Hz；

所述光电探测器的响应频率高达2GHz，其输出电脉冲序列的峰值电压高于1V。

进一步：

所述第一延时器的输出信号和输入信号之间的相对延时抖动量不高于20ns；

所述第二延时器和第三延时器各自的延时抖动量均低于400ps，两延时器输出信号相对应的上升沿之间的相对延时抖动量低于100ps；

所述多路延时器的各路延时抖动量均低于200ps；

所述第一延时器、第二延时器和第三延时器输出信号的高电平脉冲宽度均为600ns。

进一步：

所述倍频器是通过输入10Hz信号的上升沿定时触发分频开关的方式实现10Hz到1kHz的倍频过程，其输出信号的绝对频率稳定度为0.01Hz，输出为标准TTL信号，输出阻抗为50Ω，输入10Hz信号的上升沿和其输出1kHz信号的某一上升沿同步，输出信号的这一上升沿相对于输入信号的上升沿延时20ns左右，延时抖动量低于50ps。

进一步：

所述第一扑克尔盒同步驱动器和第二扑克尔盒同步驱动器的外触发输入信号的高电平脉冲宽度低于1μs，输出信号与外触发输入信号的频率相等，其内置延时器的延时抖动量低于100ps。

已有的电子同步时序控制技术所适用的太瓦级飞秒激光放大装置都只是各放大级的泵浦激光器的脉冲重复频率相同(甚至是相同类型的激光器)的情况，而本发明除了适用于已有技术所涉及的激光放大装置类型外，主要还适用于放大装置中各放大级的泵浦激光器的脉冲重复频率不同(甚至是不同类型的激光器)的情况，因此与已有技术相比，本发明具有更大的适用范围。本发明中的倍频器所采用的倍频技术，与已有的锁相环(PLL)倍频技术相比，其输入信号上升沿与输出信号某一上升沿之间的同步精度要比PLL高2～3个数量级，从而能够更好的保证两种类型激光器之间的精确同步触发。倍频器如果采用PLL，由于精度不够，是不能满足装置要求的。

由于高精密的电子同步时序控制系统是太瓦级飞秒激光放大装置中不可或缺的一部分，因此本发明为放大装置输出稳定、高能量和高质量的飞秒激光脉冲提供了必要可靠的保证，同时也填补了国际上目前尚无此类相关产品的空白。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明：

图1为本发明所适用的太瓦级飞秒激光放大装置的原理图；

图2为本发明用于飞秒激光放大装置中的电子同步时序控制系统原理图；

图3为本发明用于飞秒激光放大装置中的电子同步时序控制系统中信号端口连接示意图；

图4为本发明用于飞秒激光放大装置中的电子同步时序控制系统中倍频器的结构示意图；

图5为本发明所适用的太瓦级飞秒激光放大装置再生腔内激光脉冲的振荡放大及倒空过程图。

具体实施方式

实施例1：

如图1所示，一种太瓦级飞秒激光放大装置包括一个振荡器、一个展宽器、一个预放大器、一个主放大器和一个压缩器。振荡器由功率稳定的连续泵浦激光器泵浦，产生70MHz～80MHz的飞秒锁模脉冲序列，它为整个放大装置提供最初始的种子激光脉冲，脉冲的重复频域一般不受外控，它的部分激光由光电探测器接收并转化为电脉冲序列，从而形成了一个稳定的时钟频率信号源。展宽器用来将飞秒脉冲展宽成啁啾脉冲，这里没有泵浦源参与，不涉及时间同步问题。预放大器为1kHz的再生放大器，由LD泵浦的kHz激光器泵浦，再生放大器中的放大激光的选单和倒空由第一扑克尔盒完成。预放大器输出的放大激光脉冲经过第二扑克尔盒选单后注入到后面的主放大器，主放大器为10Hz的多通放大器，由第一YAG激光器和第二YAG激光器双向泵浦。从主放大器输出的放大激光脉冲最后进入压缩器进行压缩，压缩器中无泵浦源参与，脉冲重复频率也无需再加以改变，因此这里不必考虑时间同步问题。从压缩器输出的脉冲即为放大后的太瓦级飞秒激光。

如图2至图4所示，本发明提供一种用于飞秒激光放大装置中的电子同步时序控制系统，包括：

一个方波信号发生器，用于产生总时钟控制信号；

一个光电探测器，用于接收种子激光的锁模信号；

四个延时器，用于产生不同时序的信号，分别为第一延时器、第二延时器、第三延时器和多路延时器；

一个倍频器，用于产生较高频率的信号，倍频器的倍频原理是通过输入信号的上升沿定时触发分频开关的方式实现输入信号到输出信号的倍频过程；

两个扑克尔盒同步驱动器，分别为第一扑克尔盒同步驱动器，用于控制一个扑克尔盒进行激光脉冲选单与倒空；第二扑克尔盒同步驱动器，用于控制另一个扑克尔盒进行激光脉冲选单。

方波信号发生器输出端口4输出的信号分为三路，第一路输入第一延时器的输入端口9，第二路输入飞秒激光放大装置中的第一YAG激光器的氙灯开关触发输入端21，用于触发第一YAG激光器的氙灯开关，第三路输入飞秒激光放大装置中的第二YAG激光器的氙灯开关触发输入端25，用于触发第二YAG激光器的氙灯开关；

第一延时器输出的信号分为两路，第一路输入倍频器的输入端口3，第二路输入第二延时器的输入端口5；

第二延时器输出的信号输入第二扑克尔盒同步驱动器的外触发输入端口12；

倍频器包括外控脉冲信号发生器、脉冲信号合成器，外控脉冲信号发生器的输入端与脉冲信号合成器的第一输入端相连通，外控脉冲信号发生器的输出端与脉冲信号合成器的第二输入端相连通，倍频器输出的信号分为两路，第一路输入飞秒激光放大装置中的LD泵浦的kHz激光器的Q开关触发输入端口29，第二路输入第三延时器的输入端口6；

第三延时器输出端口2输出的信号输入第一扑克尔盒同步驱动器的外触发输入端口17；

第一扑克尔盒同步驱动器的第一延时输出端口19输出的信号输入飞秒激光放大装置中的第一扑克尔盒的选单触发输入端口22，第二延时输出端口20输出的信号输入第一扑克尔盒的倒空触发输入端口24；

光电探测器(具体为PIN光电二级管)电信号输出端口15输出的信号分为两路，第一路输入第二扑克尔盒同步驱动器的RF输入端口11，第二路输入第一扑克尔盒同步驱动器的RF输入端口16；

第二扑克尔盒同步驱动器的延时输出端口14输出的信号输入飞秒激光放大装置中的第二扑克尔盒的选单触发输入端口18，同步输出端口13输出的信号输入多路延时器的外触发输入端口30；

多路延时器的第一延时输出端口31输出的信号输入飞秒激光放大装置中的第二YAG激光器的Q开关触发输入端口27，第二延时输出端口32输出的信号输入飞秒激光放大装置中的第一YAG激光器的Q开关触发输入端口23。

方波信号发生器输出的信号的频率为10Hz；

光电探测器采用PIN光电二极管，是快响应光电二极管，其对光波响应的峰值波长为760nm；

第一延时器是180μs～240μs延时连续可调；

第二延时器和第三延时器是2μs～4μs延时连续可调；

多路延时器的各路延时输出相对于输入信号均是0～2μs延时连续可调；

倍频器的输入频率为10Hz，输出频率为1kHz；

第一扑克尔盒同步驱动器和第二扑克尔盒同步驱动器的RF输入是光电探测器输出的70MHz～80MHz锁模电脉冲信号，其内置延时器是0～1μs延时连续可调。

方波信号发生器的输出阻抗为50Ω，绝对频率稳定度为5×10^-6Hz；

光电探测器的响应频率高达2GHz，其输出电脉冲序列的峰值电压高于1V。

第一延时器的输出信号和输入信号之间的相对延时抖动量不高于20ns；

第二延时器和第三延时器各自的延时抖动量均低于400ps，两延时器输出信号相对应的上升沿之间的相对延时抖动量低于100ps；

多路延时器的各路延时抖动量均低于200ps；

第一延时器、第二延时器和第三延时器输出信号的高电平脉冲宽度均为600ns。

倍频器的倍频原理并非常用的锁相环(PLL)技术，而是通过输入10Hz信号的上升沿定时触发分频开关的方式实现10Hz到1kHz的倍频过程，其输出信号的绝对频率稳定度为0.01Hz，输出为标准TTL信号，输出阻抗为50Ω，输入10Hz信号的上升沿和其输出1kHz信号的某一上升沿同步，输出信号的这一上升沿相对于输入信号的上升沿延时20ns左右，延时抖动量低于50ps。

第一扑克尔盒同步驱动器和第二扑克尔盒同步驱动器的外触发输入信号的高电平脉冲宽度低于1μs，输出信号与外触发输入信号的频率相等，其内置延时器的延时抖动量低于100ps。

将系统中的各个信号端口按图3所示的方式连接，具体的连接方式以及各部分功能元件的参数设置如下(各端口均为BNC(Bayonet NeillConcelman，同轴电缆接口)接口)：

将方波信号发生器的输出端口4输出的10Hz信号分成三路，其中两路分别接入第一YAG激光器的氙灯触发输入端口21和第二YAG激光器的氙灯触发输入端口25，第三路接入第一延时器的输入端口9，第一延时器的输出端口10输出的信号分两路分别接入倍频器的输入端口3和第二延时器的输入端口5，将倍频器的输出端口7输出的信号接入半导体泵浦的kHz激光器的Q开关触发输入端口29，同时将倍频器的输出端口7输出的信号接入第三延时器的输入端口6，将第三延时器的输出端口2输出的信号接入第一扑克尔盒同步驱动器的外触发端口17，将第二延时器的输出端口1输出的信号接入第二扑克尔盒同步驱动器的外触发输入端口12，将PIN光电探测器输出的信号同时接入第一扑克尔盒同步驱动器的RF输入端口16和第二扑克尔盒同步驱动器的RF输入端口11，将第一扑克尔盒同步驱动器的第一延时输出端口19和第二延时输出端口20输出的延时信号分别接入第一扑克尔盒的选单触发输入端口22和倒空触发输入端口24，将第二扑克尔盒同步驱动器的延时输出端口14输出的延时信号接入第二扑克尔盒的选单触发输入端口18，将第二扑克尔盒同步驱动器的同步输出端口13输出的同步信号接入多路延时器的外触发输入端口30，最后将多路延时器的第一延时输出端口31和第二延时输出端口32输出的两路延时信号分别接入第二YAG激光器的Q开关触发输入端口27和第一YAG激光器的Q开关触发输入端口23。

如图4所示，从第一延时器的输出端口输出的10Hz的脉冲信号被分为两路，其中一路作为触发信号输入一受外部信号控制的脉冲信号发生器，然后由其产生一系列脉冲信号，触发信号和输出脉冲信号的时序如下：10Hz脉冲信号的上升沿触发信号发生器，它在延时1ms后产生第1个脉冲信号，并在延时2ms后产生第2个脉冲信号，延时3ms产生第3个脉冲信号，......。以此延时下去，一次触发共产生99个脉冲信号，在第99个脉冲信号产生后1ms，发生器又一次受10Hz信号的下一个脉冲的触发，从而再产生延时间隔为1ms的99个脉冲。由信号发生器产生的脉冲序列与10Hz的脉冲信号共同输入一脉冲信号合成器中，由它合成产生每秒1k个脉冲的1kHz脉冲信号。

从该电路的设计原理可以看出，10Hz信号的脉冲总是与受其触发而输出的1kHz信号中的某些脉冲完全同步的(没有相对时间抖动)，这是该电路的精华所在，它所实现的这个同步精度是PLL所无法比拟的。用该电路中的10Hz信号和1kHz信号分别控制两台脉冲激光器的输出，可高精度的实现两束激光脉冲的时间同步。

当上述连接过程完毕后，首先调节进入PIN光电探测器的激光能量，使其输出电脉冲信号的峰值电压高于1V；调节第一延时器的延时，使其值等于两个YAG激光器的Q开关与氙灯开关所要求的延时值；设置第三延时器的延时，使其延时值等于LD泵浦的kHz激光器的激光脉冲输出时刻与其触发Q开关的电脉冲信号之间的延时，第二延时器的延时也设定在这个值上；调节第一扑克尔盒同步驱动器内的两个内置延时器，先调节第一延时输出的延时，使第一扑克尔盒实现1kHz激光脉冲选单，然后调节第二延时输出的延时，当太瓦级飞秒激光放大装置再生腔内的激光脉冲振荡放大到最大值时，使第一扑克尔盒将腔内的激光脉冲瞬间导出，实现放大激光脉冲的倒空，如图5所示。调节第二扑克尔盒同步驱动器的延时输出，使第二扑克尔盒实现从1kHz到10Hz的激光脉冲选单；分别调节多路延时器第一延时输出端口31和第二延时输出端口32的两路延时输出，直至多通放大过程输出的激光脉冲能量达到最大最稳时为止。

实施例2：

各个信号端口的连接方式以及各部分功能元件的参数设置如实施例1。但对于不同类型的激光器有不同的频率要求，方波信号发生器的输出频率可以不是10Hz，而是M(M的值可以是1，2，3，...)Hz，即主放大器所用泵浦激光的重复频率；倍频器的输出频率也不一定是1kHz，而是M×N(N的值可以是2，3，4，...)Hz，即预放大器所用泵浦激光的重复频率。同时，对于不同类型的激光器要求有不同的延时值，第一延时器可以不同于上述的180μs～240μs延时范围，第二延时器和第三延时器也可以不同于上述的2μs～4μs延时范围，而且第二延时器和第三延时器的延时设置也可以不同，可以根据实际需要而确定。