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纳秒LD脉冲光源系统由纳秒LD(SPL PL90_3)、LD驱动模块(PCO-711050-15)、TTL信号发生器(DG535)、15 V稳压电源(JWY-30)、195 V稳压电源(恒压源4NIC-S600)5个部分组成。其中纳秒LD(型号SPL PL90_3)的峰值功率为75 W,出光孔尺寸200 μm×10 μm,中心波长905 nm,输出光的半高宽为25.2 ns。纳秒LD脉冲光源系统时间抖动测试系统如图1所示。
纳秒LD输出光脉冲的时域波形用ET-3500型光电探测器(PIN)和LeCroy WAVERUNNER 64xi(600 MHz)示波器记录,图2是纳秒LD多次输出光脉冲波形的叠加图,可见具有良好的稳定性和重复性。
单只纳秒LD(包括驱动电路)的时间抖动J为光脉冲延迟时间的标准偏差,其测定值为光脉冲信号与触发TTL信号时间延迟的均方差,计算时用测量值的样本标准差:
$$J = \sqrt {\sum\limits_{i = 1}^n {{{({T_i} - \bar T)}^2}} /n} $$ (1) 式中:J为纳秒LD(包括驱动电路)的时间抖动;n为测量次数;Ti为光脉冲信号与触发TTL信号的延迟时间;
$ \bar T$ 为时间延迟的平均值。为使纳秒LD(型号SPL PL90_3)输出尽可能高的光脉冲能量,给LD驱动电路(PCO7110 50-15)施加最大直流输入电压195 V,此时触发纳秒LD输出光脉冲200次的重叠波形如图3所示。图3中蓝色为TTL信号,红色为PIN探测的LD脉冲光信号,示波器记录上升沿均值7.2 ns,脉宽均值25.2 ns。用公式(1)可计算出,单只纳秒LD的时间抖动为72 ps。
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将2个SPL PL90_3型纳秒LD并联在同一个PCO-711050-15型LD驱动模块上,用2个相同的PIN测试这2个并联纳秒LD的输出光脉冲的时域波形,同时记录纳秒LD驱动模块的输出的电流信号。TTL信号发生器用来控制2个并联纳秒LD的驱动模块PCO-711050-15。并联纳秒LD光源的时间同步性测试系统如图4所示。
2个并联纳秒LD的触发同步性显然与每个纳秒LD的时间抖动有关。当用一个驱动电路同时驱动2个相同型号的纳秒LD时,由于每个LD的阻抗特性存在微小差异,驱动电路加载在这2个LD的驱动电流并不相同,这将导致每个LD的时间抖动会因实验条件的不同而变化。为此,对图4所示的2个并联LD的时间同步性分别作三种测试:(1)1#LD和2#LD并联触发条件下,测试1#LD的时间抖动随驱动电压的变化关系;(2)1#LD和2#LD并联触发条件下,测试2#LD的时间抖动随驱动电压的变化关系;(3)1#LD和2#LD并联触发条件下,二者输出光脉冲的同步性随驱动电压的变化关系。下面分别介绍这三种测试。
(1) 1#LD和2#LD并联触发条件下,1#LD的时间抖动随驱动电压的变化关系按照上述纳秒LD时间抖动的测试方法测试,调整纳秒LD驱动电路的电压以步长5 V从50 V增加到300 V,在每一条件下触发20次,通过测量驱动模块输出的电流信号与1#LD的时域波形的延迟,根据公式(1)可计算出1#LD时间抖动随驱动电压的变化关系,如图5所示。
从图5中可以看出,在2个LD并联触发条件下,1#LD的时间抖动为数百ps。1#LD的时间抖动随驱动电路电压增大的变化总体上表现为减小的趋势。当驱动电压在120~240 V区间,时间抖动变化相对比较平稳;驱动电压低于100 V或高于240 V,时间抖动变化比较大。驱动电压最小50 V时,抖动为573 ps,驱动电压最高300 V时抖动为345.8 ps,驱动电压为220 V时,时间抖动值最小,为211.7 ps。
(2) 1#LD和2#LD并联触发条件下,2#LD的时间抖动随驱动电压的变化关系用同样的方法,可以测量出2#LD时间抖动随驱动电压的变化关系,如图6所示。
由图6可见,驱动电压在80~200 V之间,时间抖动随驱动电压变化比较平稳,驱动电压低于80 V或高于200 V,时间抖动随驱动电压变化比较大。驱动电压为50 V时,时间抖动513.2 ps,驱动电压为300 V时,时间抖动为361.8 ps。驱动电压为150 V时,时间抖动值最小,为184.8 ps。
由以上结果可见:用1个驱动电路驱动2个并联LD的触发条件下,每个LD的时间抖动在数百皮秒量级,比单只LD的时间抖动大。这是由于型号相同的2个LD,其阻抗特性并不完全相同,同1个驱动电路加载在每个LD上的驱动电流不相同,这种分流不均匀使每个LD输出光脉冲波形幅值不同,导致每个LD的时间抖动增大。
(3) 1#LD和2#LD在并联触发条件下,二者输出光脉冲的同步性随驱动电压的变化关系是指第一个激光脉冲信号与第二个激光脉冲信号上升到最大值50%处延迟时间的标准偏差,其测定值为激光脉冲信号的时间延迟的均方差,计算时用测量值的样本标准差。并联纳秒脉冲LD同步性JLD
为: $${J_{\rm LD}} = \sqrt {\sum\limits_{i = 1}^n {{{({T_i} - \bar T)}^2}} /n} $$ (2) 其中,
$${T_i} = \left| {{T_{i({\rm LD}1)}} - {T_{i({\rm LD}2)}}} \right|$$ (3) 式中:Ti(LD1)和Ti(LD2)分别是第i次同时触发1#LD和2#LD光脉冲上升到最大值50%处所对应的时间;Ti是Ti(LD1)与Ti(LD2)的时间差值;
$ \bar T$ 为Ti的平均值;n为测量次数。1#和2#并联LD的触发同步性测试原理如图4所示。用1个LD驱动电路同时触发2个相同型号的LD,当驱动电压为300 V时,这2个LD输出光脉冲的波形见图7。由图7可见,1#LD和2#LD输出的光脉冲上升沿基本重合,上升沿7.4 ns。
为获得并联LD的时间同步性随驱动电压的变化关系,使驱动电压以步长5 V从50 V增加到300 V,在每一条件下触发20次,通过测量1#LD与2#LD时域波形上升沿之间的延迟,根据公式(2),可计算出2个并联纳秒LD的时间同步性,如图8所示。
显然,驱动电压在105 ~230 V之间,2个LD的时间同步性随驱动电压变化比较平稳;驱动电压低于100 V或高于230 V,2个LD的时间同步性随驱动电压变化比较大。当驱动电压为50 V时,时间同步性333.5 ps,驱动电压300 V时,时间同步性为461.1 ps。当驱动电压为235 V时,时间同步性最小,为272.2 ps。
Study on time jitter and trigger synchronization characteristics of ns pulsed laser diode
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摘要: 纳秒半导体激光器(LD)的时间抖动和多个LD并联触发的时间同步性是各类超快光电过程及应用中的重要参数。研究了纳秒脉冲LD(包括LD触发电路)的时间抖动特性以及2个LD的触发同步性。结果表明:纳秒LD(包括LD触发电路)的时间抖动与其驱动电路的驱动电压有关,均在亚纳秒量级范围。单只纳秒LD的时间抖动为72 ps,当1个LD驱动电路同时触发2个并联的纳秒LD时,每个纳秒LD的时间抖动增至约200 ps,2个并联纳秒LD的触发时间同步性近300 ps。Abstract: The time jitter of nanosecond semiconductor laser (LD) and the time synchronization of multiple LD parallel triggers are important parameters in various ultra-fast photoelectric processes and applications. In this paper, the time jitter characteristics of nanosecond pulse LD (with driving circuits) and the synchronization of two nanosecond LD triggers were studied. The results show that the time jitter of nanosecond LD (with driving circuits) is related to the voltage of driving circuits and is in the range of sub-nanoseconds. The time jitter of a single nanosecond LD is 72 ps, when a driving power supply simultaneously triggers two nanoseconds LD in parallel, the time jitter of each nanosecond LD increases to about 200 ps, and the time synchronization of two parallel nanosecond LD is about 300 ps.
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Key words:
- nanosecond semiconductor laser /
- time jitter /
- trigger synchronization
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