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纳秒半导体激光器的时间抖动和触发同步特性

刘如军 马成 施卫 惠兆宇 杭玉桦

刘如军, 马成, 施卫, 惠兆宇, 杭玉桦. 纳秒半导体激光器的时间抖动和触发同步特性[J]. 红外与激光工程, 2020, 49(6): 20200147. doi: 10.3788/IRLA20200147
引用本文: 刘如军, 马成, 施卫, 惠兆宇, 杭玉桦. 纳秒半导体激光器的时间抖动和触发同步特性[J]. 红外与激光工程, 2020, 49(6): 20200147. doi: 10.3788/IRLA20200147
Liu Rujun, Ma Cheng, Shi Wei, Hui Zhaoyu, Hang Yuhua. Study on time jitter and trigger synchronization characteristics of ns pulsed laser diode[J]. Infrared and Laser Engineering, 2020, 49(6): 20200147. doi: 10.3788/IRLA20200147
Citation: Liu Rujun, Ma Cheng, Shi Wei, Hui Zhaoyu, Hang Yuhua. Study on time jitter and trigger synchronization characteristics of ns pulsed laser diode[J]. Infrared and Laser Engineering, 2020, 49(6): 20200147. doi: 10.3788/IRLA20200147

纳秒半导体激光器的时间抖动和触发同步特性

doi: 10.3788/IRLA20200147
基金项目: 国家自然科学基金(61427814);强脉冲辐射环境模拟与效应国家重点实验室资助项目(SKLIPR1812);江苏省基础科技计划(BK20190187)
详细信息
    作者简介:

    刘如军(1979-),男,博士生,主要从事超快光电子器件方面的研究。Email:liurujun@xaut.edu.cn

    通讯作者: 施卫(1957-)男,教授,博士生导师,博士,主要从事超快光电子器件方面的研究。Email:swshi@mail.xaut.edu.cn
  • 中图分类号: O439

Study on time jitter and trigger synchronization characteristics of ns pulsed laser diode

图(8)
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出版历程
  • 收稿日期:  2020-03-26
  • 修回日期:  2020-04-29
  • 刊出日期:  2020-07-01

纳秒半导体激光器的时间抖动和触发同步特性

doi: 10.3788/IRLA20200147
    作者简介:

    刘如军(1979-),男,博士生,主要从事超快光电子器件方面的研究。Email:liurujun@xaut.edu.cn

    通讯作者: 施卫(1957-)男,教授,博士生导师,博士,主要从事超快光电子器件方面的研究。Email:swshi@mail.xaut.edu.cn
基金项目:  国家自然科学基金(61427814);强脉冲辐射环境模拟与效应国家重点实验室资助项目(SKLIPR1812);江苏省基础科技计划(BK20190187)
  • 中图分类号: O439

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。

English Abstract

    • 纳秒脉冲半导体激光器(LD)因具有高效、体积小、可靠性高、转换效率高、工作寿命长、驱动方便和全固化被广泛用于超快光电科学与工程技术领域中的超快动态过程,涉及科研、国防、医疗等领域[1-5]。纳秒LD(包括驱动电路)的性能参数是决定各项应用的关键。在精密测量距离、精度等方面,很大程度取决于纳秒LD发射脉冲的质量。脉冲的上升时间或者下降时间决定了测量的精度,功率决定最大可测量范围,光斑尺寸决定最小可测量物体的尺寸等。在用纳秒LD触发超快光电器件、以及并联同步触发多个超快光电器件等应用中,除了上述参数外,纳秒LD(包括驱动电路)的时间抖动和并联触发同步性至关重要,往往决定着整个装置的性能。例如,中国工程物理研究院应用纳秒脉冲LD技术并联触发15路砷化镓光电导开关,获得328 kV的纳秒电脉冲的装置等[6-8]。所以,作为纳秒LD(包括驱动电路)技术的重要参数-触发时间抖动和并联触发同步性,是评价纳秒LD(包括驱动电路)性能稳定性的重要参数,也是纳秒LD在各类超快光电应用中不可回避的问题。然而,纳秒LD(包括驱动电路)输出光脉冲波形的各项参数,在产品标签中有明确说明,但时间抖动和并联触发同步性却不明确,也未见研究报道。从实际应用的角度来看,区分纳秒LD驱动电路的时间抖动及纳秒LD自身的时间抖动意义不大,因为纳秒LD和纳秒LD驱动电路作为纳秒半导体激光器的整体特性,其时间抖动对实际应用才至关重要。此外,纳秒LD脉冲输出特性与纳秒LD驱动电路也有关,不同的驱动电路以及驱动电路与LD的阻抗匹配程度对纳秒LD脉冲输出有较大的影响。因此,作为纳秒LD与其驱动电路一体的纳秒LD脉冲光源系统,研究其时间抖动特性和同步特性更具有实际意义。文中侧重研究纳秒LD脉冲光源系统的时间抖动。由于纳秒LD的输出单脉冲光能量有限,通常在1~2 μJ量级,所以,文中更关注纳秒LD在可承受LD驱动电路提供电压较高的情况下的时间抖动,以明确纳秒LD输出最大光脉冲能量条件下的时间抖动。

      通过研究纳秒LD脉冲光源系统输出光脉冲的重复效果就可以获得其抖动的相关信息。纳秒LD输出光脉冲波形稳定性越高,纳秒LD脉冲光源系统的时间抖动就越低。研究纳秒LD驱动电路电触发时刻与光脉冲开启时刻的时间差的统计结果可以定量表征其时间抖动,其标准偏差反映纳秒LD脉冲光源系统从驱动电路电触发到光脉冲开启的时间间隔的不确定程度。

      OSRAM公司生产的SPL PL90_3型纳秒LD和DIRECTED ENERGY公司生产的PCO7110 50-15型纳秒LD驱动模块具备优良的性能,文中以此为例研究了纳秒LD脉冲光源系统(型号SPL PL90_3、PCO7110 50-15)的触发时间抖动与并联触发同步特性。结果表明,该纳秒LD脉冲光源系统(型号SPL PL90_3、PCO7110 50-15)的时间抖动和并联触发同步性与其驱动电路的驱动电压有关,均在亚纳秒量级范围。用同一纳秒LD驱动电路触发单只纳秒LD的时间抖动为72 ps、同时触发2个并联的纳秒LD,每个纳秒LD的时间抖动增至约200 ps,2个并联纳秒LD的时间同步性近300 ps。

    • 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。

      图  1  单只脉冲LD抖动测试系统

      Figure 1.  Test system of single laser diode

      图  2  纳秒LD输出波形

      Figure 2.  Nanosecond LD output waveforms

      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。

      图  3  纳秒LD输出200次重叠波形

      Figure 3.  Nanosecond LD outputs 200 overlapped waveforms

    • 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。

      图  4  并联纳秒LD时间抖动测试系统

      Figure 4.  Parallel nanosecond LD time jitter test system

      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。

      图  5  1#激光二极管抖动时间随驱动电压变化关系

      Figure 5.  Jitter time of LD1 under different driving voltages

      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。

      图  6  2#LD抖动时间随驱动电压变化关系

      Figure 6.  Jitter time of LD2 under different driving voltages

      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)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;TiTi(LD1)Ti(LD2)的时间差值;$ \bar T$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。

      图  7  驱动电压300 V时2个脉冲LD输出光脉冲波形

      Figure 7.  Waveform of the 2 pulses LD with driving voltage of 300 V

      图  8  并联纳秒LD时间同步性随驱动电压变化关系

      Figure 8.  Synchronization of parallel nanosecond LD under different driving voltages

    • 文中研究了纳秒LD脉冲光源系统(型号SPL PL90_3、PCO7110 50-15)的时间抖动和并联触发同步性,结果表明:纳秒LD脉冲光源系统的时间抖动与其驱动电源的驱动电压有关,均在亚纳秒量级范围。单只纳秒LD(SPL PL90_3、PCO-711050-15)的触发时间抖动为72 ps;当1个驱动电路同时触发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。由此可见,对不同型号的纳秒LD及相应的LD驱动电路,为了减小单只纳秒LD脉冲光源系统的时间抖动,可以通过文中的实验测试方法得到单只LD驱动电路的最佳驱动电压;对于多路LD并联触发、且同步性是重要参数的应用场景,也需要首先使各个纳秒LD处于时间抖动最小的工作条件,并同时考虑各个纳秒LD的驱动方式是由一个LD驱动电路同时驱动多个纳秒LD、还是多个LD驱动电路分别驱动每个纳秒LD的情况,然后得出最佳多路纳秒LD同步触发时的最佳结果。

参考文献 (8)

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