用于同步高功率固體激光的高精度時(shí)鐘發(fā)生技術(shù)研究

1 引言

        對(duì)于高功率固體激光裝置、大型醫(yī)療設(shè)備等，同步觸發(fā)系統(tǒng)是一個(gè)非常重要的、必不可少的環(huán)節(jié)，同步觸發(fā)脈沖的時(shí)間間隔抖動(dòng)精度會(huì)影響這些裝置的運(yùn)行效率和運(yùn)行精度。由于這類裝置是要求同步觸發(fā)信號(hào)和激光同步，因此μs級(jí)抖動(dòng)精度是基本要求，從物理上要求同步觸發(fā)信號(hào)具有ns、ps量級(jí)的時(shí)間間隔抖動(dòng)精度[1]。

        決定該類同步機(jī)輸出觸發(fā)信號(hào)的時(shí)間定位精度有兩個(gè)關(guān)鍵元素：一是同步機(jī)的時(shí)鐘精度；二是同步機(jī)的時(shí)間延遲精度[2]。

        本文提出了一種用于高功率固體激光裝置同步系統(tǒng)的高精度時(shí)鐘產(chǎn)生技術(shù)[3][4][5]，輸入信號(hào)為高精度的重復(fù)頻率激光，經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換和放大，再經(jīng)過高精度鎖相環(huán)鎖相，以得到和輸入激光具有嚴(yán)格相位關(guān)系的高精度時(shí)鐘。利用該技術(shù)獲得的高精度時(shí)鐘和主激光的時(shí)間間隔抖動(dòng)為峰峰抖動(dòng)小于20ps，RMS小于2ps，該精度指標(biāo)國(guó)內(nèi)未見相關(guān)報(bào)道。目前該技術(shù)已經(jīng)成功地用于高功率固體激光裝置高精度同步觸發(fā)系統(tǒng)的研制，獲得了滿意的效果。

2 技術(shù)指標(biāo)要求

        整個(gè)同步系統(tǒng)輸出兩種精度的同步觸發(fā)信號(hào)，即ns級(jí)信號(hào)和s級(jí)信號(hào)，兩種精度的同步信號(hào)的具體技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

        輸入光脈沖的技術(shù)指標(biāo)：
1）激光脈沖頻率51.84MHz。
2）激光脈沖寬度大于500ps。
3）激光功率大于-10dBm。
4）激光脈沖之間的時(shí)間間隔抖動(dòng)(RMS)小于2ps 。
5）激光波長(zhǎng)為：1053nm。

        經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換、放大和鎖相后輸出的電脈沖的技術(shù)指標(biāo)要求如下：
1) 信號(hào)為電信號(hào)；
2) 信號(hào)前沿小于200ps；
3) 信號(hào)電平為L(zhǎng)VPECL；
4) 輸出序列信號(hào)之間的時(shí)間抖動(dòng)小于25ps（Pk-Pk）,2.5ps（RMS）；
5) 輸出電脈沖信號(hào)和光脈沖之間的相位抖動(dòng)小于30ps（Pk-Pk）,4ps（RMS）；
6) 輸出信號(hào)頻率為155.52MHz。

        從以上六條指標(biāo)可以看出，不僅要求輸出信號(hào)的前沿要足夠快，而且信號(hào)的時(shí)間抖動(dòng)技術(shù)指標(biāo)的要求都非常高，特別是輸出信號(hào)和輸入光脈沖之間的相位抖動(dòng)要求非常高。該類技術(shù)指標(biāo)要求如此之高，在國(guó)內(nèi)未見報(bào)道。

3 總體技術(shù)方案

        如圖1所示，從測(cè)試激光器輸入一束重頻激光(激光波形前沿小于100ps，重復(fù)頻率51.84MHz，光信號(hào)的RMS抖動(dòng)小于2ps)送入光電轉(zhuǎn)換和PLL頻率合成模塊，產(chǎn)生高精度的電脈沖信號(hào)。

圖1 總體技術(shù)方案

        如圖1所示，從測(cè)試激光器輸入一束重頻激光(激光波形前沿小于100ps，重復(fù)頻率51.84MHz，光信號(hào)的RMS抖動(dòng)小于2ps)送入光電轉(zhuǎn)換和PLL頻率合成模塊，產(chǎn)生高精度的電脈沖信號(hào)。

4 低抖動(dòng)重復(fù)頻率光電轉(zhuǎn)換技術(shù)

                          圖2 低抖動(dòng)重復(fù)頻率光電轉(zhuǎn)換

        如圖2所示，低抖動(dòng)重復(fù)頻率光電轉(zhuǎn)換，首先完成光電轉(zhuǎn)換，再經(jīng)過整形電路以輸出電脈沖，供下一級(jí)電路進(jìn)行放大和鎖相輸出。

        采用力科6GHz的示波器，測(cè)得的激光器輸出的光脈沖的頻率和抖動(dòng)的指標(biāo)如下：
1） 信號(hào)頻率：52MHz；
2） 頻率變化：7.48kHz
3）Pk-Pk抖動(dòng):16ps
4）Rms 抖動(dòng):2.03ps

        如圖3所示，是采用力科6GHz的示波器，測(cè)得的自研光電轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換后輸出的電脈沖和激光器輸出的光脈沖信號(hào)之間的相位抖動(dòng)，測(cè)的技術(shù)指標(biāo)如下：
1）Pk-Pk :14ps
2）Rms:2.45ps

     圖3 光電轉(zhuǎn)換后的電脈沖和輸入光脈沖之間的信號(hào)抖動(dòng)

5 低抖動(dòng)重復(fù)頻率電脈沖的鎖相和整形放大

        技術(shù)方案如圖4所示，低抖動(dòng)重復(fù)頻率電脈沖信號(hào)經(jīng)過放大，再進(jìn)行PLL鎖相倍頻，最終輸出155.52MHz的電脈沖信號(hào)[6][7]。

圖4 低抖動(dòng)重復(fù)頻率電脈沖的鎖相和整形放大原理

        由于輸出時(shí)鐘信號(hào)要求的指標(biāo)非常高，因此鎖相環(huán)電路研制是關(guān)鍵，該鎖相環(huán)電路必須具有抖動(dòng)衰減能力，而且在設(shè)計(jì)上應(yīng)該是鎖住平均相位，即對(duì)瞬時(shí)突變不敏感。鎖相環(huán)電路研制采用了DDS、數(shù)字鎖相環(huán)、模擬鎖相環(huán)等進(jìn)行驗(yàn)證，最終結(jié)論是必須在定頻率點(diǎn)采用模擬鎖相環(huán)。

        如圖5所示，是采用力科6GHz的示波器，測(cè)得的鎖相后輸出電脈沖和鎖相前輸入光脈沖之間的相位抖動(dòng)的指標(biāo)如下：
1）Pk-Pk :17ps
2）Rms:2.62ps

圖5 鎖相后輸出的時(shí)鐘信號(hào)的抖動(dòng)精度測(cè)試

6 結(jié)論

        最終輸出信號(hào)的技術(shù)指標(biāo)達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，獲得了較為滿意的結(jié)果。該技術(shù)對(duì)我國(guó)新一代高功率固體激光驅(qū)動(dòng)器以及其它需要高精度同步的儀器或者設(shè)備的設(shè)計(jì)具有較高的參考價(jià)值，為以后的神光III主機(jī)同步系統(tǒng)提供了可靠的的時(shí)鐘源。為國(guó)內(nèi)的相關(guān)技術(shù)提供了一個(gè)嶄新的技術(shù)路線，來解決時(shí)間晃動(dòng)和遠(yuǎn)距離傳輸?shù)膯栴}，有廣泛的推廣前景。