一种基于FPGA的可编程高稳定激光脉冲控制系统

技术领域

本发明属于激光系统控制的技术领域，具体涉及一种基于FPGA的可编程高稳定激光脉冲控制系统。

背景技术

脉冲激光是一种短时、高能量的激光脉冲，其独特的特性使其在许多应用领域中发挥着重要作用。其中，在材料加工领域，脉冲激光在材料的微加工和精密加工等方面具有独特的优势，为先进精密仪器和设备制造提供了高精度和高效率的加工解决方案。在科学研究领域，脉冲激光被广泛应用于高能物理研究、超快动力学研究、光谱分析和分子操控等。此外，脉冲激光还被广泛应用于生物医学、军事武器等领域，并极大推动了相关领域的进步和发展。

在脉冲激光的应用当中，激光脉冲良好的时域特性和稳定性是衡量激光器性能的一种重要指标。以材料加工为例，激光的脉冲形状和脉冲序列稳定性在很大程度上影响着材料的加工质量和效率。尤其是对于高精度的超短脉冲激光加工而言，脉冲激光的质量则尤为重要。

对于脉冲激光放大器系统，影响脉冲质量的因素有很多，主要包括振荡器的输出特性、放大器的增益特性、以及脉冲调控系统的性能等。在实际应用中，振荡器输出的种子光脉冲通常比较好，而放大器和脉冲调控系统的性能是影响最终输出激光脉冲质量的关键。其中，对于激光放大器而言，激光脉冲在经过激光增益介质放大时，由于脉冲前后沿的时间延迟以及能量相关的脉冲增益特性差异，会导致放大脉冲形状的不对称甚至畸变。针对该现象，目前常用的技术方案是采用脉冲调控系统进行脉冲形状的预调制，以实现放大脉冲畸变的预补偿。其原理是通过调制脉冲前后沿的幅值大小来补偿脉冲在激光增益介质中的非均匀增益。具体应用当中则是通过任意信号发生器结合声光调制器来实现的。

然而，该脉冲调控机制存在一个显著的不足。具体的，声光调制器的驱动信号和信号发生器的选通门信号是相互独立的，两者经过混频之后以驱动声光调制器来实现激光脉冲的调制。其中的关键问题在于，待调制的激光脉冲信号、声光调制器的驱动信号、以及信号发生器的选通门信号，三者之间没有固定的相位关系。虽然各信号之间做了相应的时间同步，但是总会存在一定的相位抖动，进而导致调制脉冲的不稳定，且脉冲调制精度较低。针对基于相同原理的脉冲选单器而言，调制后的脉冲序列则表现为幅值大小的参差不齐。这将极大地影响脉冲激光在实际工业加工等领域的应用。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种基于FPGA的可编程高稳定激光脉冲控制系统，该系统最大的特点在于将声光调制器的驱动频率信号和任意波形发生器的选通门信号进行了集成，即两者由同一个电路产生，从而消除了两者之间的相位抖动，实现了稳定的脉冲调制驱动信号输出。该系统既能实现更高精度的激光脉冲形状调制，又能实现高稳定、高质量的调制激光脉冲序列输出。

本发明解决其技术问题采用的技术方案是提供一种基于FPGA的可编程高稳定激光脉冲控制系统，包括激光光源、脉冲形状控制电路、控制单元；所述脉冲形状控制电路由电源、比较器、FPGA芯片和加法输出单元组成；激光光源产生的激光脉冲经光电探测器转换为电信号后输入至比较器的反相输入端，脉冲信号与比较器的同相输入端的鉴别电平相比较得到的信号输出至FPGA芯片进行处理，FPGA芯片处理后的信号输出为四对差分输出；四对差分输出经过不同倍数的T型衰减，衰减后的信号经加法输出单元做差分求和，得到带有共模电压的输出；所述的控制单元与脉冲形状控制电路、FPGA芯片、比较器连接，分别控制脉冲形状控制电路的输出与否，及输出信号的分频数、脉冲宽度、上升沿及下降沿的宽度；控制FPGA芯片对信号的处理及对处理后的信号的输出与否；控制比较器鉴别电平的高低。

优选地，所述FPGA芯片对输入信号进行处理包括：FPGA芯片内置的GTP将输入信号转换为40位的信号，首先找到这40位信号的上升沿出现的位置并记录下来，按照设定好的脉冲宽度和上升沿的位置对信号进行复现。进行信号复现时，产生四路信号，当检测到上升沿出现时，按照预存的查找表产生波形数据。

优选地，预存的查找表包括上升沿数据和下降沿数据；波形数据的产生分为上升沿数据产生和下降沿数据产生。FPGA芯片根据上升沿宽度和下降沿宽度确定相应的查找表，产生上升沿数据和下降沿数据；产生完成的上升沿数据和下降沿数据对齐相与，得到完整波形数据。

优选地，上升沿数据的产生过程包括三个状态：状态0为检测上升沿信号是否存在，若存在开始按照上升沿查找表产生上升沿数据；状态1为继续产生上升沿数据的状态；状态3为上升沿数据产生完成之后按照设定的脉冲宽度产生脉冲数据。若需要产生的上升沿宽度小于40位，脉冲宽度也小于40位，则只进入状态0；若上升沿宽度小于40位，脉冲宽度大于40位，则先进入状态0，然后进入状态3；若上升沿宽度大于40位小于80位，脉冲宽度大于40位，则先进入状态0，然后进入状态1；根据脉冲宽度是否大于80位判断是否进入状态3，若上升沿宽度大于80位，则先进入状态0，然后在状态1循环，进入状态3。

在上升沿数据的产生过程中设置一个下降沿数据开始产生的使能信号：在当前状态下，脉冲宽度减去下降沿宽度小于40位且大于0时，开始在相应位置产生下降沿数据，使能信号为高。

下降沿数据的产生过程分为两个状态：状态0判断是否有下降沿开始产生的使能信号，若有，开始按照下降沿查找表产生下降沿数据。状态1为继续产生下降沿数据，若下降沿宽度小于40位，则只进入状态0；若下降沿宽度大于40位，则先进入状态0，再进入状态1。

优选地，预存的查找表为固定频率的正弦信号：当上升沿出现时，根据查找表产生固定频率的正弦信号，直至达到要求脉宽，波形数据产生结束。

优选地，将产生的波形数据进行延时操作，首先将延时数据分为两部分：被40整除的商和余数部分。被40整除的商为需要延时40的整数倍，使用Blcok Memory进行延时；余数部分使用数据移位处理，处理完的数据再经GTP的TX转为串行信号输出。

优选地，所述的FPGA芯片连接DAC芯片，FPGA芯片将接收到的鉴别电平控制信号转换为DAC芯片的输入信号，该输入信号经DAC芯片转换为模拟电平输出，作为比较器的鉴别电平。

优选地，所述加法输出单元的输出信号经过高速运算放大器放大输出；通过高速运算放大器反相输入端的可调电源电压和高速运算放大器反相输入端与输出端电阻的改变，实现对输出信号幅值的控制。

本发明提供的基于FPGA的可编程高稳定激光脉冲控制系统，采用可编程的FPGA芯片配合外围电路，降低了生产升本，提高了集成度。相比信号发生器进行分频和脉冲调制，本发明实现方法简单，对光脉冲的要求也较低，产生的波形精度更高。

附图说明

图1为本发明实施例中基于FPGA的可编程高稳定激光脉冲控制系统结构原理示意图；

图2是本发明实施例1中脉冲形状控制电路的流程图；

图3是本发明实施例1中上升沿数据的产生过程；

图4是本发明实施例1中下降沿数据的产生过程；

图5是本发明实施例2中脉冲形状控制电路的流程图；

图6是激光脉冲经本发明基于FPGA的可编程高稳定激光脉冲控制系统调整后的效果示意图；（a）是实施例1的系统调整后，产生上升沿、下降沿时间任意的波形；（b）是实施例2的系统调整后，产生恒定频率的正弦波，经放大后驱动声光调制器。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面结合附图和具体实施例，对本发明进行更详细的说明。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本说明书所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明公开内容的理解更加透彻全面。

实施例1 一种基于FPGA的可编程高稳定激光脉冲控制系统，如图1所示，包括激光光源、脉冲形状控制电路、控制单元。激光光源采用NPE锁模激光器，该激光器输出激光频率64MHz，脉冲宽度2ps。脉冲形状控制电路由电源、高速比较器(ADCMP572)、FPGA芯片和全差分运算放大器（LMH5401）组成。NPE锁模激光器产生的激光脉冲经光电探测器转换为电信号后输入至高速比较器的反相输入端，脉冲信号与同相输入端的鉴别电平相比较得到的输出信号至FPGA芯片进行处理。

本实施例中，采用了FPGA芯片内置的G比特收发器（GTP），例如Xilinx 7系列FPGA芯片的GTP收发器，其速率最高可达6.25Gb/s，同时有四对RX差分输入和四对TX差分输出。选择传输速率为6.25 Gb/s，GTP的RX接收到信号并进行串并转换，将信号转换为40位的信号输出，信号精度为160ps，时钟信号为156.25MHz，程序运行均使用此时钟信号。

GTP接收到的信号为40位一组，然后对这40位的信号进行处理，具体处理流程如图2所示，首先查找上升沿并对上升沿出现的次数进行求和，若求和数大于等于分频数，则输出上升沿位置并将上升沿总数归零，反之则继续寻找上升沿并求和。当上升沿位置输出时，开始产生波形数据。波形数据产生过程分为上升沿数据产生和下降沿数据产生。

上升沿数据产生使用状态机，分为三个状态。如图3所示，状态0检测上升沿信号是否存在，若存在开始按照上升沿查找表产生上升沿数据；状态1为继续产生上升沿数据的状态；状态3为上升沿数据产生完成之后按照设定的脉冲宽度产生脉冲数据。若需要产生的上升沿宽度小于40位，脉冲宽度也小于40位，则只进入状态0；若上升沿宽度小于40位，脉冲宽度大于40位，则先进入状态0，然后进入状态3；若上升沿宽度大于40位小于80位，脉冲宽度大于40位，则先进入状态0，然后进入状态1，根据脉冲宽度是否大于80位判断是否进入状态3；若上升沿宽度大于80位，则先进入状态0，然后在状态1循环，进入状态3。

因为脉冲宽度包含上升沿宽度和下降沿宽度，所以在上升沿数据的产生过程中设置一个下降沿数据开始产生的使能信号：在当前状态下，脉冲宽度减去下降沿宽度小于40位且大于0时，开始在相应位置产生下降沿数据，使能信号为高。经过此过程得到上升沿数据和脉冲数据及下降沿开始产生的使能信号。

下降沿数据产生同样使用状态机，分为两个状态。如图4所示，状态0判断是否有下降沿开始产生的使能信号，若有，开始按照下降沿查找表产生下降沿数据；状态1为继续产生下降沿数据。若下降沿宽度小于40位，则只进入状态0；若下降沿宽度大于40位，则先进入状态0，再进入状态1。

产生完成的上升沿数据和下降沿数据对齐相与，得到完整的波形数据。最后将产生的波形数据进行延时操作，首先将延时数据分为两部分，被40整除的商和余数部分，被40整除的商为需要延时40的整数倍，使用Blcok Memory进行延时，余数部分使用数据移位处理。处理完的数据最后再经GTP的TX转为串行信号输出。

四路串行信号输出后经过T型衰减，衰减倍数分别为八倍、四倍、二倍、一倍，全差分运算放大器（LMH5401）将四路信号加权求和得到想要的信号形状，求和后的信号根据需求，再经过高速运算放大器(THS3201)放大，最终输出。高速运算放大器反相输入端连接电源电压并配合电阻分压控制输出信号的幅值，反相输入端与输出端之间连接电阻配合同相输入端电阻控制输出信号的幅度，同相输入端连接电阻到地，必要时控制全差分运算放大器输出信号的幅度。

整个系统在控制单元的控制下进行工作。控制单元连接脉冲形状控制电路。控制单元控制脉冲形状控制电路的输出与否，控制输出信号的分频数、脉冲宽度、上升沿及下降沿的宽度。FPGA芯片根据上升沿宽度和下降沿宽度确定查找表的地址。FPGA芯片接收到各种控制信号时，按照控制信号对输入信号进行处理，当FPGA芯片接收到输出开启信号时，控制处理好的信号输出。控制单元还控制高速比较器鉴别电平的高低。FPGA芯片连接DAC芯片，FPGA芯片将接收到的鉴别电平控制信号转换为DAC芯片的输入信号，DAC芯片转换为模拟电平输出作为高速比较器的鉴别电平。根据控制信号的改变，可以对输入激光脉冲信号实现任意数分频、任意脉宽、任意上升沿及下降沿宽度。

实施例2 本实施例提供的基于FPGA的可编程高稳定激光脉冲控制系统与实施例大体相同，所不同的是：本实施例用于产生AOM的驱动信号。在FPGA芯片对输入信号进行处理时，查找表为固定频率的正弦信号。处理流程如图5所示，当检测到上升沿出现时，开始产生固定频率的正弦信号，直至达到要求脉宽，产生结束。产生完成的波形信号外接功率放大器，放大到声光调制器所需的功率，驱动声光调制器。这样在每个上升沿到来时，产生的正弦信号相位稳定且与调制信号同步，驱动AOM的衍射效率更高，衍射信号更加稳定。

利用本发明提供的基于FPGA的可编程高稳定激光脉冲控制系统调整的波形如图6所示。其中，图6中（a）是实施例1的系统调整后，产生上升沿、下降沿时间任意的波形；（b）是实施例2的系统调整后，产生恒定频率的正弦波，经放大后驱动声光调制器。本发明提供的系统，采用可编程的FPGA芯片配合外围电路，根据控制信号的改变，可以对输入激光脉冲信号实现任意数分频、任意脉宽、任意上升沿下降沿宽度及脉冲的延时。