1 引言
對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)是一個非常重要的、必不可少的環(huán)節(jié)，同步觸發(fā)脈沖的時間間隔抖動精度會影響這些裝置的運(yùn)行效率和運(yùn)行精度。由于這類裝置是要求同步觸發(fā)信號和激光同步，因此μs級抖動精度是基本要求，從物理上要求同步觸發(fā)信號具有ns、ps量級的時間間隔抖動精度[1]。
決定該類同步機(jī)輸出觸發(fā)信號的時間定位精度有兩個關(guān)鍵元素：一是同步機(jī)的時鐘精度；二是同步機(jī)的時間延遲精度[2]。
本文提出了一種用于高功率固體激光裝置同步系統(tǒng)的高精度時鐘產(chǎn)生技術(shù)[3][4][5]，輸入信號為高精度的重復(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)系的高精度時鐘。利用該技術(shù)獲得的高精度時鐘和主激光的時間間隔抖動為峰峰抖動小于20ps，RMS小于2ps，該精度指標(biāo)國內(nèi)未見相關(guān)報道。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
整個同步系統(tǒng)輸出兩種精度的同步觸發(fā)信號，即ns級信號和?s級信號，兩種精度的同步信號的具體技術(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）激光脈沖之間的時間間隔抖動(RMS)小于2ps 。
5）激光波長為：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) 信號為電信號；
2) 信號前沿小于200ps；
3) 信號電平為LVPECL；
4) 輸出序列信號之間的時間抖動小于25ps（Pk-Pk）,2.5ps（RMS）；
5) 輸出電脈沖信號和光脈沖之間的相位抖動小于30ps（Pk-Pk）,4ps（RMS）；
6) 輸出信號頻率為155.52MHz。
從以上六條指標(biāo)可以看出，不僅要求輸出信號的前沿要足夠快，而且信號的時間抖動技術(shù)指標(biāo)的要求都非常高，特別是輸出信號和輸入光脈沖之間的相位抖動要求非常高。該類技術(shù)指標(biāo)要求如此之高，在國內(nèi)未見報道。
3 總體技術(shù)方案
如圖1所示，從測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，光信號的RMS抖動小于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。
圖1 總體技術(shù)方案
如圖1所示，從測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，光信號的RMS抖動小于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。
4 低抖動重復(fù)頻率光電轉(zhuǎn)換技術(shù)
圖2 低抖動重復(fù)頻率光電轉(zhuǎn)換
如圖2所示，低抖動重復(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，供下一級電路進(jìn)行放大和鎖相輸出。
采用力科6GHz的示波器，測得的激光器輸出的光脈沖的頻率和抖動的指標(biāo)如下：
1） 信號頻率：52MHz；
2） 頻率變化：7.48kHz
3）Pk-Pk抖動:16ps
4）Rms 抖動:2.03ps
如圖3所示，是采用力科6GHz的示波器，測得的自研光電轉(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之間的相位抖動，測的技術(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抖動
5 低抖動重復(fù)頻率電脈沖的鎖相和整形放大
技術(shù)方案如圖4所示，低抖動重復(fù)頻率電脈沖信號經(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[6][7]。
圖4 低抖動重復(fù)頻率電脈沖的鎖相和整形放大原理
由于輸出時鐘信號要求的指標(biāo)非常高，因此鎖相環(huán)電路研制是關(guān)鍵，該鎖相環(huán)電路必須具有抖動衰減能力，而且在設(shè)計上應(yīng)該是鎖住平均相位，即對瞬時突變不敏感。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的指標(biāo)如下：
1）Pk-Pk :17ps
2）Rms:2.62ps
圖5 鎖相后輸出的時鐘信號的抖動精度測試
6 結(jié)論
最終輸出信號的技術(shù)指標(biāo)達(dá)到了設(shè)計要求，獲得了較為滿意的結(jié)果。該技術(shù)對我國新一代高功率固體激光驅(qū)動器以及其它需要高精度同步的儀器或者設(shè)備的設(shè)計具有較高的參考價值，為以后的神光III主機(jī)同步系統(tǒng)提供了可靠的的時鐘源。為國內(nèi)的相關(guān)技術(shù)提供了一個嶄新的技術(shù)路線，來解決時間晃動和遠(yuǎn)距離傳輸?shù)膯栴}，有廣泛的推廣前景。