一种用于准分子激光器的低抖动精确延时同步触发系统
阅读说明：本技术 一种用于准分子激光器的低抖动精确延时同步触发系统 (Low-jitter accurate time-delay synchronous triggering system for excimer laser ) 是由 游利兵 胡泽雄 方晓东 寸超 王宏伟 范军 于 2021-06-22 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种用于准分子激光器的低抖动精确延时同步触发系统,采用FPGA计数器延时与可编程延时芯片细延时相结合的延时方式,利用时间间隔测量芯片对外部触发信号与FPGA主时钟时间间隔进行测量并通过细延时进行抖动补偿,同时利用另一片时间间隔测量芯片对实际延时时间进行测量,即外部触发信号与输出的精确延时触发信号之间的时间间隔进行测量,与设定延时时间进行比较,通过FPGA调整延时时间,实现延时时间的闭环控制。(The invention discloses a low-jitter accurate delay synchronous triggering system for an excimer laser, which adopts a delay mode of combining delay of an FPGA counter and fine delay of a programmable delay chip, measures an external trigger signal and an FPGA main clock time interval by using a time interval measuring chip and carries out jitter compensation through the fine delay, and simultaneously measures actual delay time by using another time interval measuring chip, namely measuring the time interval between the external trigger signal and an output accurate delay trigger signal, comparing the measured time interval with the set delay time, and adjusting the delay time through the FPGA to realize closed-loop control of the delay time.)
技术领域
本发明涉及延时同步技术领域，尤其是一种用于准分子激光器的低抖动精确延时同步触发系统。
背景技术
紫外飞秒激光的高能量、高分辨、高峰值功率密度等特性极大地推动了超短脉冲在诸多领域的应用。目前主流的紫外飞秒激光产生方式是通过将红外飞秒激光或者近红外飞秒激光经过非线性倍频晶体的方式一次或多次进行频率转换后实现紫外飞秒激光的输出。但这种方式产生的紫外飞秒激光单脉冲能量较低，一般为微焦量级。准分子激光由于其宽频带和工作介质密度低等特性使其在放大超短脉冲方面表现出独特的优势。将固体掺钛蓝宝石激光器输出的红外飞秒脉冲进行频率转换或者将其进行放大之后再利用频率转换技术得到的紫外脉冲激光作为种子光，利用准分子激光实现放大，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，使得种子光进入准分子激光器时处于最佳增益状态。
目前，关于准分子激光的精确延时同步装置一般是通过内触发方式，由装置自行发出两路脉冲信号控制两台设备。但是，针对准分子激光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目前尚未有深入的研究。
发明内容
为了克服上述现有技术中的缺陷，本发明提供一种用于准分子激光器的低抖动精确延时同步触发系统，能够在较大的延时范围内实现精确的延时步进调节，且降低了系统的输出抖动。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案，包括：
一种用于准分子激光器的低抖动精确延时同步触发系统，包括：主控模块、细延时模块、第一时间间隔测量模块；
所述主控模块、第一时间间隔测量模块分别对外部触发信号进行接收；
所述主控模块用于对延时时间进行分配，分为粗延时时间和细延时时间；
所述主控模块用于对外部触发信号进行粗延时，得到粗延时信号，并将粗延时信号发送给细延时模块；
所述主控模块将其主时钟信号发送给第一时间间隔测量模块；
所述第一时间间隔测量模块测量外部触发信号与主控模块的主时钟信号之间的相位抖动，得到相位抖动数据，将相位抖动数据通过主控模块发送给细延时模块；
所述细延时模块根据相位抖动数据对粗延时信号进行细延时，得到细延时信号。
系统还包括：第二时间间隔测量模块；
所述第二时间间隔测量模块对外部触发信号进行接收；
所述细延时模块将细延时信号发送给第二时间间隔测量模块；
所述第二时间间隔测量模块测量外部触发信号与细延时信号之间的时间间隔，得到实际延时时间，并将实际延时时间发送给主控模块；
所述主控模块将实际延时时间与设定延时时间进行比较，得到延时误差，并根据该延时误差调节下一次的粗延时时间和/或细延时时间。
系统还包括：光电转换模块；
所述光电转换模块接收外部触发信号，用于对光信号形式的外部触发信号转换为电信号形式的外部触发信号，并将电信号形式的外部触发信号分别发送给主控模块、第一时间间隔测量模块。
系统还包括：电光转换模块；
所述电光转换模块与细延时模块相连接，用于对电信号形式的细延时信号转换为光信号形式的细延时信号。
所述主控模块对外部触发信号进行10ns步进的粗延时。
所述细延时模块对粗延时信号进行10ps步进的细延时。
系统的工作过程如下所示：
S1，外部触发信号进入系统，通过第一时间间隔测量模块对外部触发信号与主控模块的主时钟信号之间的相位抖动进行测量，即对外部触发信号的上升沿与主控模块的主时钟信号的上升沿之间的时间间隔进行测量，得到相位抖动数据即相位抖动的时间间隔；
S2，主控模块将设定延时时间减去该相位抖动的时间间隔，得到待延时的延时时间，主控模块根据该待延时的延时时间进行分配，分配粗延时时间和细延时时间；
S3，根据粗延时时间，利用主控模块内部的计数器对外部触发信号进行粗延时，得到粗延时信号；
S4，根据细延时时间，利用细延时模块对粗延时信号进行细延时，得到细延时信号。
本发明的优点在于：
(1)使用粗延时与细延时相结合的方案，能够确保在较大的延时范围内实现精确的延时步进调节。
(2)使用第一时间间隔测量模块实现了对外触发信号与FPGA时钟相位抖动的测量，降低了系统的输出抖动。
(3)使用第二时间间隔测量模块实现了对实际延时时间的测量，通过主控模块实现了对延时时间的闭环控制。例如，本实施例中，对细延时模块即MC100EP195芯片进行实验，得知温度对MC100EP195芯片的延时时间的影响最大可达到1.5ns，且随着延时时间的增大，温度对系统元器件固有延时时间的影响也越明显，从而导致整个低抖动精确延时同步触发系统的延时时间也受温度变化影响，采用第二时间间隔测量模块对外部触发信号与输出的细延时信号之间的时间差进行测量，并将测量到的时间差通过主控模块进行处理，从而在下次延时处理时对细延时模块即MC100EP195芯片的细延时时间进行微调，实现对延时时间的闭环控制，从而提高低抖动精确延时同步触发系统的延时稳定性。
(4)系统的输入输出均采用光信号形式，能够有效避免准分子激光放电时的强电磁干扰。
附图说明
图1为低抖动精确延时同步触发系统框图。
图2为外触发信号上升沿与FPGA主时钟上升沿之间的相位关系图。
图3为MC100EP195不同温度下实际延时时间与设定延时时间的关系曲线图。
图4为100ns、2000ns延时时间下输出的细延时信号的示波器余晖图。
图5为不同的设定延时时间下输出的细延时信号的平均实际延时时间与抖动时间的曲线图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本实施例中，低抖动精确延时同步触发系统用于保证飞秒深紫外准分子激光系统中的飞秒激光器与准分子激光器的同步工作。
由图1所示，本发明的一种用于准分子激光器的低抖动精确延时同步触发系统，包括：光电转换模块1、主控模块2、细延时模块3、电光转换模块4、第一时间间隔测量模块5、第二时间间隔测量模块6。
所述光电转换模块1接收飞秒激光器发出的外部触发信号，并将光信号形式的外部触发信号转换为电信号形式的外部触发信号。
所述光电转换模块1将电信号形式的外部触发信号分别发送给主控模块2、第一时间间隔测量模块5、第二时间间隔测量模块6。
所述主控模块2用于对延时时间进行分配，分配为粗延时时间和细延时时间。同时，所述主控模块2捕获外部触发信号的上升沿，并通过内部计数器对外部触发信号进行10ns步进的粗延时，得到粗延时信号。
所述主控模块2将粗延时信号发送给细延时模块3。
所述主控模块2将其主时钟信号发送给第一时间间隔测量模块5。
所述第一时间间隔测量模块5测量外部触发信号与主控模块2的主时钟信号之间的相位抖动，即测量外部触发信号的上升沿与主控模块2的主时钟信号的上升沿之间的时间间隔，得到相位抖动数据。
所述第一时间间隔测量模块5将相位抖动数据发送给主控模块2。
所述主控模块2将相位抖动数据发送给细延时模块3，通过细延时模块3对相位抖动进行补偿。
所述细延时模块3根据相位抖动数据对粗延时信号进行10ps步进的细延时，得到细延时信号。
所述细延时模块3将细延时信号分别发送给电光转换模块4、第二时间间隔测量模块6。
所述电光转换模块4接收细延时信号，并将电信号形式的细延时信号转换为光信号形式的细延时信号。
所述电光转换模块4将光信号形式的细延时信号通过光纤发送给准分子激光器。
所述第二时间间隔测量模块6用于测量实际延时时间，即测量外部触发信号与细延时信号之间的时间间隔，得到实际延时时间。
所述第二时间间隔测量模块6将实际延时时间发送给主控模块2。
所述主控模块2将实际延时时间与设定延时时间进行比较，得到延时误差，并根据该延时误差调节下一次的延时时间，从而形成对延时时间的闭环控制。调节下一次的延时时间包括：调节主控模块2的粗延时时间、调节细延时模块2的细延时时间、调节主控模块2的粗延时时间和细延时模块2的细延时时间。
系统的工作过程如下所示：
S1，外部触发信号通过光纤进入系统，光电转换模块1接收外部触发信号，对光信号形式的外部触发信号转换为电信号形式的外部触发信号，并将电信号形式的外部触发信号分别发送给主控模块2、第一时间间隔测量模块5、第二时间间隔测量模块6；
S2，第一时间间隔测量模块5对外部触发信号与主控模块2的主时钟信号之间的相位抖动进行测量，即对外部触发信号的上升沿与主控模块2的主时钟信号的上升沿之间的时间间隔进行测量，得到相位抖动数据即相位抖动的时间间隔；
S3，主控模块2将设定延时时间减去该相位抖动的时间间隔，得到待延时的延时时间，主控模块2根据该待延时的延时时间进行分配，分配粗延时时间和细延时时间；
S4，根据粗延时时间，利用主控模块2内部的计数器对外部触发信号进行粗延时，得到粗延时信号；
S5，根据细延时时间，利用细延时模块3对粗延时信号进行细延时，得到细延时信号；
S6，电光转换模块4对电信号形式的细延时信号转换为光信号形式的细延时信号，并通过光纤传输给其他设备，如准分子激光器；
S7，第二时间间隔测量模块6测量外部触发信号与细延时信号之间的时间间隔，得到实际延时时间，并通过主控模块2将实际延时时间与设定延时时间进行比较，得到延时误差，根据该延时误差调节下一次的延时时间，从而形成对延时时间的闭环控制。
本实施例中，主控模块2基于FPGA芯片进行设计，选用阿尔特拉Altera公司生产的FPGA芯片，来满足主控模块2的需求，具体型号为EP4CE10E22C8N芯片。
FPGA芯片通过锁相环PLL电路将外部晶振生成的50MHz主频晶振通过内部锁相环倍频到200MHz；利用200MHz的锁相环时钟，并利用FPGA芯片内部的逻辑门计数器实现对外部触发信号进行10ns步进的粗延时，将粗延时后的外部触发信号即粗延时信号通过IO口发送给细延时模块3。
在传统的延时设备中，外部触发信号上升沿与FPGA时钟信号之间的时间间隔会带来相位抖动，如图2所示，由于触发信号上升沿并不是固定的时间，有一定的随机性，两个不同的外部触发信号即外部触发信号1、外部触发信号2与FPGA时钟上升沿之间的时间间隔分别为Δt1、Δt2，在200MHz的FPGA时钟信号下，相位抖动最大能到5ns，为了补偿这部分抖动，采用第一时间间隔测量模块5对外部触发信号与FPGA的主时钟之间的相位抖动进行测量，并将测量后的相位抖动数据发送给FPGA主控模块2。
本实施例中，细延时模块3基于可编程延时芯片进行设计，采用安森美公司生产的MC100EP195芯片来满足细延时模块3的需求即实现10ns以内的10ps步进细延时。MC100EP195延迟单元包含一个可编程门阵列和一个多路复用器；通过控制D9、D8、…、D1、D0的10个引脚的高低电平设置所需的延迟时间，每个引脚对应控制的延时时间分别为29×10ps、28×10ps、…、21×10ps、20×10ps。
脉冲信号从输入端到输出端的延时时间Tdelay为Tdelay＝D×ts+t’，由于MC100EP195芯片具有内置的多路复用器，因此具有2.2ns的固定初始延迟时间t’，ts为延时步进，其值为10ps，D表征D9～D0的十个引脚对应的延时输入数值，故而D的取值范围为0～29-1，故而MC100EP195芯片的可编程延时时间约为2.2ns～12.4ns。
由于MC100EP195芯片采用LVPECL电平传输，因此，本实施例中，采用安森美公司生产的MC100EPT20芯片将主控模块2发送给细延时模块3的信号由LVCMOS电平转换为LVPECL电平；采用安森美公司生产的MC100EPT21芯片将细延时模块2细延时后输出的精确延时触发信号即细延时信号由LVPECL电平转换为LVTTL电平，并发送到电光转换模块4完成电光转换，将细延时后触发信号即细延时信号以光信号形式发送至准分子激光器中，即将细延时模块3的细延时信号转换成光信号形式作为低抖动精确延时同步触发系统的输出信号。
本实施例中，还对细延时模块3即MC100EP195芯片进行实验，得到MC100EP195芯片的设定延时与实际延时之间的误差，图3为MC100EP195在不同温度下的设定延时与实际延时之间的关系曲线，由图3可知，温度对MC100EP195芯片的延时时间的影响最大可达到1.5ns，且随着延时时间的增大，温度对系统元器件固有延时时间的影响也越明显，从而导致整个低抖动精确延时同步触发系统的延时时间也受温度变化影响。
因此，采用第二时间间隔测量模块6对外部触发信号与输出的细延时信号之间的时间差进行测量，并将测量到的时间差通过数据处理模块进行处理，从而在下次延时处理时对细延时模块3即MC100EP195芯片的细延时时间进行微调，实现对延时时间的闭环控制，从而提高低抖动精确延时同步触发系统的延时稳定性。
第一时间间隔测量模块5与第二时间间隔测量模块6均采用ACAM公司生产的双通道时间数字转换器即TDC-GP22芯片，该芯片可以测量3.5ns～2.4us的时间间隔，测量精度为90ps。
本实施例中，第一时间测量模块5测量的外部触发信号与FPGA主时钟之间相位抖动在0～5ns之间，部分时间不能够被TDC-GP22芯片测量出来。
为了解决这一问题，本实施例中选择将FPGA主时钟信号延时一个周期，这样第一时间间隔测量模块5测量的时间间隔为5ns～10ns。
主控模块2对于延时时间分配的公式为：
Td＝N×TFPGA+D×ts+tPD+tTI1-TFPGA+K×tdiff
其中，Td为延时时间设定值，N×TFPGA为粗延时时间，N为FPGA通过计数器延时的时钟周期的数量，TFPGA为FPGA的主时钟周期，采用200MHz的主时钟，所以TFPGA的值为5ns，D×ts为细延时时间，D为D9～D0的十个引脚对应的延时输入数值，ts为可编程延时芯片的最小延时步进10ps，tPD为系统的固定延时时间，tTI1为第一时间间隔测量数据，K为闭环控制比例调节系统0.5，tdiff为延时时间设定值与第二时间间隔测量数据差值。
本实施例中，还利用LeCroy354A示波器测试经低抖动精确延时同步触发系统延时后的输出信号的延时功能和抖动性能。
经过测试实验，低抖动精确延时同步触发系统运行正常，在通过对延时时间闭环控制后延时功能正常；输出的精确延时触发信号的抖动在随着延时时间的增加也在逐渐增加，如图4所示，在延时时间为100ns时，输出的精确延时触发信号即细延时信号相对于输入的外部触发信号的抖动为±200ps，而延时时间为2000ns时，输出的精确延时触发信号即细延时信号相对于输入的外部触发信号的抖动为正负1ns。
图5为不同设定延时时间下输出的精确延时触发信号即细延时信号的平均实际延时时间与抖动时间，可以看到本发明的低抖动精确延时同步触发系统的延时功能基本正常，在100ns-2us的延时时间内，输出信号相对输入信号的抖动在±1ns以内，抖动性能良好。
以上仅为本发明创造的较佳实施例而已，并不用以限制本发明创造，凡在本发明创造的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明创造的保护范围之内。
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