1、 第 12 卷 第 2 期 强 激 光 与 粒 子 束 V o l. 12,N o. 2 2000 年 4 月 H IGH POW ER LA SER AND PA R T ICL E BEAM S A p r. , 2000 文章编号 : 1001 4322 (2000) 02 0188 03多路激光装置同步技术研究 X刘进元 , 欧阳娴 , 刘百玉 , 蒋军敏(西安光学与精密机械研究所 , 瞬态光学技术国家重点实验室 , 710068)摘 要 : 多路激光装置同步系统包括精密同步机和数字同步机两种单元技术 , 它们具有四路延时脉冲 (A、 B、 C、 D )和一路标准时钟脉冲 (T 0)
2、输出。精密同步机 : 延时同步精度为 10p s, 最大触发晃动小于 10p s, 延时范围 200ns; 数字同步机 : 延时同步精度为 5p s, 最大触发晃动小于 200p s, 延时范围 10m s。关键词 : 延时脉冲 ; 触发晃动 ; 时钟系统中图分类号 : TN 24811 文献标识码 : A在惯性约束聚变 ( ICF) 研究中 , 打靶的多路激光脉冲不但需要波形和能量一致 , 而且需要有很高的时间一致性 , 即打靶多路激光脉冲在时域上要严格同步 , 同步精度需达到 10p s, 这种同步指标比全球定位系统的同步精度高出两个量级。多路激光装置同步系统包括一个系统时钟、多台精密同步
3、机和数字同步机 , 分别位于系统控制室、前端、能源、靶场控制、物理诊断等不同区域 , 这些同步机通过单模光纤和中央控制系统相连接 , 它们可以独立进行非实时的写入和处理 , 也可以通过中央控制系统进行非实时的写入和处理。精密同步机主要用于对多路激光装置和物理诊断中光开关、时空整形器、条纹相机和示波器进行同步 ; 数字同步机用于对能源和监测 CCD 进行同步。1 精密同步机系统结构F ig. 1 Schem atic diagram of the p recisiondelay pulse generato r图 1 精密同步机原理框图精密同步机主要由内部时钟触发、外部触发、功能控制、雪崩整形、
4、 R F 继电器宽带延时电路及显示电路组成。具有一个标准时钟 (T 0)和四路延时电脉冲输出(A、 B、 C、 D ) ; 雪崩整形电路主要是用来增强驱动能力 , 开关元件采用 R F 继电器 , 这种继电器的频带宽度为 900M H z, 接触电阻 1m 8 , 能够有效的控制输出脉冲前沿时间的变慢 , 减小触点损耗。对于小于 10n s 延时范围的延时线采用微带结构 , 电脉冲在这种微带线上的传输速度为 5p s mm , 通过改变微带线长度来保证调节精度。大于 10n s 延时范围的延时线采用 508 电缆延时 , 以减小对输出脉冲的衰减。每一路延时脉冲都设有高速中继脉冲放大器 , 以提
5、高负载驱动能力。机内低压电源设有完善的滤波隔离和去耦电路。考虑到多路延时脉冲之间的波形一致性、稳定性、超快的脉冲前沿以及驱动能力 , 电路设计采用微带线结构并采用雪崩三极管来有效的解决这一问题。雪崩三极管的工作原理为当晶体管集电极电压足够高时 , 收集结空间电荷区内的电场强度比正常工作时大许多倍 , 进入收集结的载流子被强电场加速 ,从而获得很大能量。这些载流子与晶格碰撞时便产生新的电子孔穴对 , 新生的电子孔穴又分别被强电场加速而重复上述过程 , 于是流过收集结的电流便“雪崩”式迅速增长 , 这就是雪崩管的雪崩倍增效应。X 国家 863 惯性约束聚变领域资助课题 (863- 416- 5-
6、10)1999 年 12 月 1 日收到原稿 , 2000 年 2 月 10 日收到修改稿。刘进元 , 男 , 1963 年 11 月出生 , 硕士 , 研究员 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.雪崩晶体管具有以下特点 : (1)电流增益大 , 可以有效的解决输出脉冲驱动能力问题。 (2)稳定性高 ,触发晃动小 ; (3)固有延时短 ; (4)导通时间短 , 具有较快的脉冲前沿时间。图 (1)为精密同步机原理框图。2 精密同步机主要参数测试结果图 2 为用 11801A 数字取样示波器获
7、得的触发晃动测量结果 , 触发晃动峰 - 峰值小于 10p s, 图 3 为输出脉冲波形 , 输出脉冲幅度 50V , 前沿时间 1. 5n s。F ig. 2 M easurem ental result of trigger jitter F ig. 3 M easurem ental result of output w avefo rm图 2 触发晃动测量结果 图 3 输出脉冲波形3 数字同步机结构数字同步机由单片机 8031 CPU 控制 , 具有 16k 程序存储区 ROM 和 8k 数据存储区 RAM , 它由译码器、触发选择电路 (内部时钟触发、外触发、线触发 )、时钟电路、数
8、字延时和模拟延时电路、触发晃动补偿电路等组成。具有一个标准时钟 (T 0)和四路 (A、 B、 C、 D ) 延时电脉冲输出 , 延时大小通过预置方式完成 , 可预置的延时最小值为 5p s, 由于数字同步机触发晃动比较大 (200p s) , 所以 5p s 的同步精度是一个统计概念 , 是延时统计值的步进精度。图 4 为数字同步机原理框图。F ig. 4 Schem atic diagram of the digital delay generato r F ig. 5 Schem atic diagram of the digital delay circuit图 4 数字同步机原理框图
9、 图 5 数字延时原理框图(1) 延时电路。延时电路由数字延时电路和模拟延时电路以及晃动补偿电路组成。延时电路的每一路都是相同的。数字延时电路是通过对 80M H z 时基进行计数完成的 , 其中 ECL 计数器用来完成计数延时范围 12. 5 50n s, HC 计数器用来完成计数延时范围 50 800n s, 8253 计数器用来完成计数延时范围 800n s 10m s。图 5 为数字延时原理框图。模拟延时电路完成 0 12. 5n s 范围内的延时 , 模拟延时电路是由恒流源、充电电容和电压比较器组成 , 延时大小由恒流源对充电电容充电的时间来决定。当数字延时完成后 , 输出选通脉冲使
10、模拟延时电路工作 , 从而完成延时全过程。(2) 数模转换电路。采用 12 位的数模转换器 AD 7542, 用来设置标准时钟和延时脉冲 (T 0、 A、 B、 C、D )的模拟延时 , 设置恒流源电流、晃动补偿电流值以及控制 L CD 显示器的显示对比度。数模转换器的输出端通过多路模拟开关对各种参数进行控制。981第 2 期 刘进元等 : 多路激光装置同步技术研究 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.(3) 时基电路。所有的数字延时都是对 80M H z 时基信号进行计数来完成的 , 8
11、0M H z 时基信号是由压控振荡器 V CO 产生并锁相到 10. 000M H z 的参考时钟 , 10. 000M H z 的参考时钟是由高稳定度的晶振产生 , 参考时钟有内部和外部两种提供方式。4 结 论通过对精密同步机和数字同步机的实验研究 , 证实了精密同步机具有同步精度高、稳定性好、触发晃动小等优点 , 其缺点是时间同步范围小。数字同步机具有同步精度高、时间同步范围大 , 其缺点是触发晃动比较大。这两种同步机的结合使用是未来多路激光装置同步系统的比较理想的技术方案。参考文献 : 1 何立民 . 单片机应用系统设计 M .北京 : 北京航空航天大学出版社 , 1993. 2 林达权
12、 . 数字光纤通信设备 M .西安 : 西安电子科技大学出版社 , 1998.RESEARCH ON THE PREC ISION SY NCHRON IZATION SY SY TEML IU J in2yuan, OU Yang2xian, L IU Bai2yu, J IAN Jun2m inS tate K ey L aboratory of T ransient Op tics and T echnology ,X i an Institu te of Op tics and P recision M echanics, X i an, 710068, Ch inaABSTRACT:
13、 T h is paper is to describe the p recision delay pulse generato r and digital delay pulse generato r w h ichw ill be used in the p ro to type of laser system. T here are four independent delay channels output and a standard tim ingpulse output from the p recision delay pulse generato r, the delay r
14、eso lution is 10p s, delay range is 200ns, the trigger jit2ter is less than 10p s. T here are four independent delay channels output and a standard tim ing pulse output from the digi2tal delay pulse generato r, the delay reso lution is 5p s, delay range is 10m s, the trigger jitter is less than 200p s.KEY WORD S: p recision delay pulse generato r; trigger jitter; tim ing system091 强 激 光 与 粒 子 束 第 12 卷 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.
