專利名稱：激光單脈沖選擇器的同步驅動裝置的制作方法
技術領域：
本發明屬于激光單脈沖選擇技術，用于從鎖模激光振蕩器的光脈沖系列中選取單一脈沖。
已有技術1.專利EPA069381“帶有激光束能量控制的激光裝置”(“Laser device having laser beam energy control”)它的電路部分是控制激光束的能量。該裝置包括兩大部分一部分是脈沖控制的激光振蕩器1，另一部分是具有連續波取樣、單脈沖生成及脈沖重復率予置的控制電路2。其中控制電路2包括予置電路3，設置脈寬電路4、設置脈沖周期電路5、脈沖計數器6和振蕩控制電路7(見圖1)。
該發明是用予置脈寬、予置脈沖周期及予置脈沖數的方式，使裝置產生一個具有予期脈寬、予期脈沖周期及予期脈沖數的控制脈沖，用以控制激光振蕩器，進行控制激光束的能量達到予期值。該發明用于激光手術刀等醫療器械的激光束能量的精確控制，而不能用于選取單脈沖。
2.專利EPA0157047“控制激光二極管的方法與驅動電路”(“Method of and driver circuit for controlling a laser diode”)它是用一個驅動電路來控制激光二極管，從而控制激光器的輸出。
驅動電路是由開關電路(一對差分放大器)9、一對射極跟隨器11、一個VMOS場效應晶體管12以及激光二極管13等組成(見圖2)。
數字輸入信號8加到驅動電路上，通過開關電路放大后進入射極跟隨器。射極跟隨器的輸出接VMOS場效應晶體管的柵極，從而使VMOS晶體管隨數字信號電平的變化導通或截止。激光二極管與VMOS場效應晶體管串聯。當VMOS場效應晶體管導通時，激光二極管輸出激光，反之則無激光輸出。通過改變輸入信號的脈寬，可以改變和控制激光二極管的輸出功率。該裝置亦不能用于選取單脈沖。
3.專利WO83/03927“改進的射頻激光泵浦系統”(“Inproved redio frequency laser pumping system”)該專利中，改進的激光電源能夠提供起動激光器所需的高電場。而在激光器運轉之后，激光腔的阻抗發生變化時，該裝置能夠通過自動調節電路使激光腔與射頻電源之間達到最佳阻抗匹配，以得到高效率的能量傳輸。
該發明包括可變阻抗元件16、激光腔17、射頻電源14、能感覺激光腔阻抗變化的阻抗傳感元件15、半可調電容18、變容二極管A19、變容二極管B20、二極管21、諧振回路22、運算放大器23、電位器24、電感A25、穿心電容26、電感B27(見圖3)。它同樣不能用于選取單一脈沖。
本發明的目的是為從鎖模激光脈沖系列中選取單一脈沖的選擇器發明一種同步驅動裝置。該裝置能夠使選擇器具有選取單脈沖穩定可靠，選出率能夠達百分之百，壽命又長，抖動又小，固有延遲時間短以及靈敏度高的特點。
本發明的驅動裝置Q由光電探測器31、同步觸發電路32、高壓毫微秒脈沖發生器33及直流高壓穩壓電源34四部分組成。上述四部分是光電探測器輸出的電信號57輸入到同步觸發電路中，同步觸發電路連接于高壓毫微秒脈沖發生器，高壓毫微秒脈沖發生器連接到直流高壓穩壓電源。
當鎖模激光脈沖系列LPT通過起偏振棱鏡28、晶體普克爾盒29和檢偏振棱鏡30時，因起偏振棱鏡與檢偏振棱鏡相互正交，且晶體普克爾盒上沒加電壓，即處于關閉狀態，因此激光束偏離光路而射到光電探測器上。光電探測器將激光脈沖系列轉換成電信號加到同步觸發電路上，讓同步觸發電路在要選出的那根單個脈沖到來之前d/2的(其中d為鎖模激光脈沖系列中的兩個相鄰脈沖之間的時間間隔)時刻產生一個觸發電脈沖TP，此電脈沖去觸發高壓毫微秒脈沖發生器，使它產生一個高壓毫微秒電脈沖OU，其前沿將晶體普克爾盒打開，讓真要選出的那根光脈沖沿光路方向輸出去。當這單根光脈沖通過普克爾盒之后，高壓毫微秒電脈沖的后沿立刻將晶體普克爾盒關閉。而其余的光脈沖系列(稱之為舍棄脈沖系列RT)仍按原方向偏離光路而射到光電探測器上(見圖4)。
下面分四部分詳述本發明的獨到之處(1)驅動裝置中的同步觸發電路是由可調閾值電平的觸發器35、脈沖形成電路36及脈沖放大器37組成。可調閾值電平的觸發器與脈沖形成電路連接，脈沖形成電路連接于脈沖放大器上，同時可調閾值電平的觸發器與光電探測器連接(見圖5)。
可調閾值電平的觸發器是由比較放大器61，閾值電平調節電路60、隔直電容58及輸入電阻59組成(見圖8)。輸入電阻一端接地，另一端與隔直電容相連，閾值電平調節電路前端與隔直電容相連，后端與比較放大器相連。
當一鎖模激光脈沖系列經光電探測器轉變成電訊號后，通過隔直電容加到閾值電平調節電路和比較放大器的輸入端。電訊號中低于閾值電平的電脈沖對比較放大器輸出端的狀態無影響，而高于閾值電平的那根電脈沖使比較放大器產生一個輸出電脈沖62。
輸出的電脈沖經過脈沖形成電路的整形成為一個具有一定寬度(20-100ns)的電脈沖，再經過脈沖放大器的放大，達到所需要的幅度(1.5伏-10伏)，成為觸發電脈沖。
(2)高壓毫微秒脈沖發生器電路如圖6所示。濾波電容38與限流電阻39接于串連的主導雪崩晶體管串(以下簡稱主導串)TR1，TR2……TRN-1，TRN。主導串與儲能電容40相連，儲能電容經過串聯的匹配電阻41與串聯的隨動雪崩晶體管串(以下簡稱隨動串)TR1′，TR2′……TRN-1′，TRN′連接，隨動串經過箝位電阻42接地，上述同步觸發電路中的脈沖放大器產生的觸發電脈沖經過耦合電容43加到主導串中第一只雪崩晶體管TR1上。通常主導串中第一只雪崩晶體管TR1的發射極與隨動串中最后一只雪崩晶體管TRN′集電極共同接地。
主導串平時加以直流高壓HV，這時儲能電容兩端的電位差是HV。當脈沖放大器輸出的觸發電脈沖加到主導串中第一個雪崩晶體管上時，主導串的雪崩晶體管里即雪崩導通。儲能電容左端的電位立即跳到地電位。因電容兩端的電位差不能突變，所以儲能電容右端電位就由原來的地電位一下子跳到負HV電位。儲能電容經匹配電阻與隨動串相連，隨動串上此時一端接地，另一端接負HV，因此隨動串也立即雪崩導通，使儲能電容右端又回到了地電位。這樣在輸出端就得到了一個幅度為HV的負高壓電脈沖，用此負高壓電脈沖控制晶體普克爾盒。上述主導串與隨動串中雪崩晶體管的個數N是由普克爾盒的電光晶體半波電壓Vλ/2及每個雪崩晶體管的雪崩電壓Va決定的，通常N＜ (Vr/2)/(Va) 。
(3)直流高壓穩壓電源是專門為激光單脈沖選擇器而設計的。以集成化的脈沖寬度調制器45為核心，它與功率驅動器46連接，功率驅動器通過脈沖變壓器47與倍壓整流電路48連接，倍壓整流電路經過濾波電路49再接一取樣反饋電路(由國定電阻50和可調電阻51串聯構成)，以及高壓指示電路(由定標電阻52和高壓指示表53串聯構成)，之后接地。取樣反饋電路又反饋回來與脈沖寬度調制器相連接，脈沖寬度調制器同時還連接調節電壓予期值電路(由滿刻度電阻54和調節高壓電位器55串聯構成)以及與低壓直流電源44連接，取樣反饋電路與高壓指示電路并聯。(見圖7)脈沖寬度調制器輸出脈寬可調節的連續脈沖，其重復率與功率驅動器的諧振頻率一致，以保證輸出效率最高。連接脈沖經過功率放大器放大，由升壓變壓器升壓，變為振幅較大的脈沖，經過倍壓整流電路的四倍壓整流，成為脈動的高壓。最后，濾波電路濾除其脈沖部分，得到一個直流高壓HV。脈沖寬度調制器的穩壓過程是這樣的當輸出的直流高壓因負載的變化或因電源電壓的波動而引起變化時，假設這個變化使輸出的直流高壓比予期值有所升高，則固定電阻50和可調電阻51構成的取樣反饋電路反饋到脈沖寬度調制器的反饋量也隨之升高，使脈沖寬度調制器輸出的脈沖寬度變窄，輸出的高壓則有所下降，回到予期值;反之，當輸出的高壓比予期值有所降低時，取樣反饋電路反饋到脈沖寬度調制器的反饋量隨之減小，使脈沖寬度調制器的輸出脈沖寬度變寬，于是輸出的高壓則回升到予期值。脈沖寬度調制器中所用的誤差放大器的增益為80db，它對取樣反饋電路的反饋信號足夠靈敏，以致能對輸出直流高壓的微小變化給予精確的調節。加之這個調節過程又是非常迅速的，實際上輸出的直流高壓就一直穩定在予期值上。
滿刻度電阻54和調節高壓電位器55是用來設置輸出直流高壓的予期值，改變調節高壓電位器的數值，可以實現對輸出的直流高壓的連續調節。
(4)光電探測器將接收到的激光脈沖系列變成電信號輸入到可調閾值電平的觸發器上，為使它們的電平匹配，將光電探測器接成輸出負脈沖的形式。它的輸出是一系列的負電脈沖56(見圖8)。
本發明的優點1.因為單脈沖選擇器的同步驅動裝置Q中所包括上述四個部分，使選擇器的性能穩定，單脈沖選出率為百分之一百。
2.由于同步觸發電路中可調閾值電平的觸發器35的觸發閾值電平可以調節，它能夠人為地將單脈沖置于最佳位置上。也可以根據實驗工作的需要，將單脈沖置于任何予期的位置上。
3.當閾值電平固定在每一個數值上時，單脈沖選擇器都能按其要求使單脈沖選在同一位置上，因此單脈沖的幅度也比較穩定。既使在振蕩器的輸出激光脈沖系列的幅度有些起伏時，單脈沖的位置會自動前移或后移，使選出的單脈沖的幅度穩定或變化很小，從而保證了單脈沖幅度穩定度優于振蕩器輸出的激光脈沖系列的幅度穩定度。
4.由于在高壓毫微秒脈沖發生器中全部使用了長壽命的雪崩晶體管，而且所用的雪崩晶體管經過了嚴格篩選，其具有良好的一致性，這就延長了高壓毫微秒脈沖發生器的使用壽命，從而延長了單脈沖選擇器的使用壽命，其壽命大于107次。
5.因同步觸發電路穩定性好，加之高壓毫微秒脈沖發生器產生的高壓毫微秒脈沖的幅度及脈沖寬度均很穩定，所以同步驅動裝置的抖動小，小于1ns。
6.調節光電探測器與可調閾值電平觸發器之間同軸電纜的長度，可將高壓毫微秒電脈沖的閾值對準欲選取的單一光脈沖，這便提高了前置光脈沖的隔離比。
7.因同步觸發電路中可調閾值電平觸發器的靈敏度高到1mv量級，閾值電平比較低時，很弱的激光信號就可使同步觸發電路工作。所以本發明對功率較小的鎖模激光器照樣實用。
8.因同步觸發電路的固有延遲時間短(小于20ns)，當鎖模激光器的光脈沖系列只有六、七根脈沖時，本發明也能正常工作。
9.本裝置無電磁干擾，能保證與激光器配套使用的其他儀器正常工作。而本裝置自身抗干擾能力強，能穩定地工作在強電磁場干擾的情況下，使用方便，安全。
10.因高壓毫微秒脈沖發生器全部采用雪崩晶體管電路，所以本發明不僅能用于幾赫茲到幾十赫茲重復率的鎖模激光器，而且也可以用于重復率更高的鎖模激光器。
11.本發明中直流高壓穩壓電源性能好，能從零到五千伏連續可調，可以把高壓毫微秒電脈沖的幅度精確地調節在晶體普克爾盒的半波電壓V上，將單一光脈沖完整、準確地選出。又因調節好以后的高壓能夠自動地穩定在這一予期電壓值上，所以也保證了高壓毫微秒電脈沖的幅度穩定，從而使選出的單一光脈沖幅度穩定。
圖1.控制激光束能量的激光裝置方塊圖(專利EPA069381)圖中1-激光振蕩器2-激光束能量控制裝置3-予置電路4-設置脈寬電路5-設置脈沖周期電路6-設置脈沖計數器7-振蕩控制電路LB-激光束圖2.控制激光二極管的驅動器電路圖(專利EP0157047)圖中8-輸入數字信號9-開關電路10-傳輸電纜11-一對射極跟隨器12-VMOS場效應晶體管
13-激光二極管V++-電源正電壓V+-固定偏置電壓V--予選電源電壓圖3.改進的射頻激光泵浦系統電路圖(專利WO/03927)圖中14-射頻電源15-阻抗傳感器元件16-可變阻抗元件17-激光腔(等效電路)18-半可變電容19-變容二極管A20-變容二極管B21-二極管22-諧振回路23-運算放大器24-電位器25-電感A26-穿心電容27-電感B圖4.激光單脈沖選擇器的方塊中28-起偏振棱鏡29-晶體普克爾盒
30-檢偏振棱鏡31-光電探測器32-同步觸發電路33-高壓毫微秒脈沖發生器34-直流高壓穩壓電源LPT-激光脈沖系列SP-單脈沖Q-本發明的激光單脈沖選擇器的同步驅動裝置RT-舍棄脈沖系列RV-閾值電平圖5.本發明中同步觸發電路方塊圖35-可調閾值電平的觸發器36-脈沖形成電路37-脈沖放大器TP-觸發電脈沖圖6.本發明中高壓毫微秒脈沖發生器電路HV-直流高壓38-濾波電容39-限流電阻40-儲能電容41-匹配電阻42-箝位電阻43-耦合電容
OU-高壓毫微秒電脈沖TR1，TR2…TRN-1，TRN-主導串中的雪崩晶體管TR1′，TR2′…TRN-1′，TRN′-隨動串中的雪崩晶體管r1，r2…rN-1，rN-主導串偏置電阻r1′，r2′…rN-1′，rN′-隨動串偏置電阻R1，R2…RN-1，RN-均壓電阻其中N為主導串和隨動串中雪崩晶體管的個數。
圖7.本發明中直流高壓穩壓電源方塊圖44-低壓直流電源45-脈沖寬度調制器46-功率放大器47-脈沖變壓器48-倍壓整流電路49-濾波電路HV-直流高壓50-固定電阻51-可調電阻52-定標電阻53-高壓指示表54-滿刻度電阻55-調節高壓電位器56-調節頻率電位器圖8.本發明中可調閾值電平的觸發器電路圖
57-光電探測器輸出的電脈沖58-隔直電容59-輸入電阻60-調節閾值電平電路61-比較放大器62-比較放大器輸出的電脈沖63-線性接收器VBB-線性接收器輸出的基準電壓圖9.用本發明的同步驅動裝置的激光單脈沖選擇器所選取的激光單脈沖照片實施例1用本發明的同步驅動裝置如圖4，5，6，7，8所示。所用激光器是YAG鎖模激光振蕩器，它的波長為1.06μm選用PIN型硅光二極管作光電探測器。它輸出負的電脈沖信號的峰值為3伏。
可調閾值電平的觸發器中比較放大器采用超高速ECL電路之線性接收器SE116，脈沖形成電路采用超高速ECL電路之或非門電路SE105，脈沖放大器采用超高頻晶體管2G711。同步觸發電路中的脈沖放大器輸出的觸發電脈沖的幅度為10伏，脈沖寬度為20ns。觸發電脈沖產生的時刻為要選的那根光脈沖到來之前d/2＝5ns，即光脈沖系列中相鄰兩脈沖之間隔d＝10ns。
高壓毫微秒脈沖發生器中的主導串與隨動串都采用2N5551雪崩晶體管，選擇的雪崩晶體管電壓均一性在±3V之內。均壓電阻R1，R2…RN為1MΩ。主導串偏置電阻r1，r2…rN與隨動串偏置電阻r1′，r2′…rN′都為51Ω。主導串與隨動串晶體管的數目N＝14。輸出高壓毫微秒電脈沖的幅度為4100伏。
直流高壓電源中所采用的脈沖寬度調制器為SG3524。連續脈沖的重復率為15KHz。
用上述裝置對YAG鎖模激光振蕩器進行選取單一光脈沖，然后將選出的單一光脈沖進行回程放大(Four-pass amplification)，在放大了七百倍之后，單脈沖仍然干凈，有高的隔離比，如圖9所示。
實施例2用本發明的同步驅動裝置，如圖4，5，6，7，8所示，采用的元件除脈沖放大器采用2G913超高頻晶體管外，其他元件與實施例1相同。
同步觸發電路輸出的觸發電脈沖幅度為6伏，寬度為50ns，觸發電脈沖產生在要選取的單一光脈沖到來的前d/2＝4ns時刻，即d＝8ns。
高壓毫微秒電脈沖的幅度為4850伏，主導串與隨動串的雪崩晶體管個數N＝16。
高壓電源中連續脈沖重復率為18KHz。
此同步驅動裝置用于測試、研究YAG鎖模激光振蕩器的光脈沖系列中每根光脈沖的特性。對每根光脈沖逐一進行選取，選出后的單一脈沖用條紋像機進行拍照，得到了滿意的實驗結果。
實施例3用本發明的同步驅動裝置，如圖4，5，6，7，8所示，使用元件同實施例1。
同步觸發電路輸出的觸發電脈沖的脈寬為100ns，幅度為1.5伏。觸發電脈沖產生在要選的那根單一光脈沖到來之前d/2＝7.5ns，即光脈沖系列中相鄰兩脈沖之間隔d＝15ns。
高壓毫微秒脈沖的幅度為3800伏，主導串與隨動串中雪崩晶體管的個數N＝13。
直流高壓穩壓電源的連續脈沖重復率為14KHz。
用該同步驅動裝置對YAG鎖模激光器進行選取單個光脈沖，選出后的單個光脈沖加到半導體硅開關上去整形，變成前沿更為陡峭的激光單脈沖，然后進行放大。
上面三例中的鎖模激光器均為每秒幾次的重復率激光器。
本發明的同步驅動裝置用于上述三種選擇器上，經過長時間的運行，一直是穩定可靠，壽命均大于107次，選出率達到百分之一百，抖動小于1ns，固有延遲時間短于20ns。
權利要求
1.一種激光單脈沖選擇器的同步驅動裝置，其特征在于光電探測器輸出的電信號輸入到同步觸發電路中，同步觸發電路連接于高壓毫微秒脈沖發生器，高壓毫微秒脈沖發生器連接有直流高壓穩壓電源，其中(1)同步觸發電路是可調閾值電平的觸發器與脈沖形成電路連接，脈沖形成電路與脈沖放大器相連，同時，可調閾值電平的觸發器又與光電探測器相連，(2)高壓毫微秒脈沖發生器是由高壓輸入端經濾波電容與限流電阻連接于主導雪崩晶體管串(簡稱主導串)，主導串串接儲能電容和匹配電阻與隨動雪崩晶體管串(簡稱隨動串)相連，隨動串通過箝位電阻接地，上述同步觸發電路產生的觸發電脈沖經過耦合電容加到主導串中的第一個晶體管上，(3)直流高壓穩壓電源是以集成化的脈沖寬度調制器為核心，脈沖寬度調制器與功率驅動器連接，功率驅動器通過脈沖變壓器與倍壓整流電路相連，倍壓整流電路經過一濾波電路再接于并聯的取樣反饋電路和高壓指示電路，其中取樣反饋電路又反饋回來與脈沖寬度調制器連接，脈沖寬度調制器同時還連接一調節電壓予期值電路以及一個低壓直流電源。
2.根據權利要求1所述的一種激光單脈沖選擇器的同步驅動裝置，其特征在于高壓脈沖發生器中主導串是由一串雪崩晶體管TR1，TR2……TRN-1，TRN串聯構成，隨動串也是由一串雪崩晶體管TR1′，TR2′……TRN-1′，TRN′串聯構成，其中N為主導串或隨動串中所用的晶體管個數。
3.根據權利要求1或2所述的一種激光單脈沖選擇器的同步驅動裝置，其特征在于主導串或隨動串中晶體管的個數N＜Vλ/2/Va，其中Vλ/2為選擇器中普克爾盒的電光晶體半波電壓，Va為單個雪崩晶體管的雪崩電壓。
4.根據權利要求1或2所述的一種激光單脈沖選擇器的同步驅動裝置，其特征在于通常是主導串中第一只雪崩晶體管TR1的發射極與隨動串中最后一只雪崩晶體管TRN′的集電極共同接地。
5.根據權利要求1所述的一種激光單脈沖選擇器的同步驅動裝置，其特征在于可調閾值電平的觸發器是由輸入電阻的一端接地，一端與隔直電容相連，閥值電平調節電路的前端與隔直電容相連，后端連接一個比較放大器所構成。
6.根據權利要求1所述的一種激光單脈沖選擇器的同步驅動裝置，其特征在于光電探測器給出的是負電壓電脈沖信號。
7.根據權利要求1所述的一種激光單脈沖選擇器的同步驅動裝置，其特征在于直流高壓穩壓電源中取樣反饋電路是固定電阻和可調電阻串聯而成。
8.根據權利要求1所述的一種激光單脈沖選擇器的同步驅動裝置，其特征在于直流高壓穩壓電源中高壓指示電路由定標電阻和高壓指示表串聯而成。
9.根據權利要求1所述的一種激光單脈沖選擇器的同步驅動裝置，其特征在于直流高壓穩壓電源中調節電壓予期值電路由滿刻度電阻和調節高壓電位器串聯而成。
全文摘要
本發明是一種激光單脈沖選擇器的同步驅動裝置，它是由輸出負電壓脈沖信號的光電探測器，由可調閾值電平觸發器，脈沖形成電路和脈沖放大器構成的同步觸發電路，由電阻電容、主導雪崩晶體管串和隨動雪崩晶體管串等構成的高壓毫微秒脈沖發生器和以集成化的脈沖寬度調制器為核心的連接有功率驅動器、取樣反饋電路，調節電壓預期值電路和低壓直流電源的直流高壓穩壓電源四大部分組成的。這種結構的同步驅動裝置使選擇器具有選取單脈沖穩定可靠，選出率可達到100％，壽命大于10
文檔編號H01S3/10GK1062625SQ9010610
公開日1992年7月8日 申請日期1990年12月18日 優先權日1990年12月18日
發明者莽燕萍, 張秉鈞 申請人:中國科學院上海光學精密機械研究所