激光損傷閾值測(cè)量裝置同步觸發(fā)模塊研究

楊科，薛媛元，賈波，白宣慶，于東鈺，陳超，趙俊成，宮經(jīng)珠，楊斌，李輝，陳娟

（1.西安應(yīng)用光學(xué)研究所，陜西 西安 710065；2.陸裝西安軍代局駐西安地區(qū)第八軍代室，陜西 西安 710065）

引言

隨著強(qiáng)激光技術(shù)的發(fā)展，激光功率能量越來(lái)越大，對(duì)光學(xué)元件的損傷幾率越來(lái)越高，激光損傷閾值測(cè)量，對(duì)于高能高功率激光應(yīng)用中的光學(xué)元件的研制至關(guān)重要，是強(qiáng)激光光學(xué)元件設(shè)計(jì)、加工和檢測(cè)的重要技術(shù)指標(biāo)[1-3]。

對(duì)于激光損傷閾值測(cè)量裝置，主要包括激光脈沖光源系統(tǒng)、激光光束分析系統(tǒng)、激光損傷探測(cè)系統(tǒng)。激光脈沖光源系統(tǒng)作為信號(hào)源，為整個(gè)系統(tǒng)提供強(qiáng)激光信號(hào)源；激光光束分析系統(tǒng)由能量計(jì)、光電探測(cè)器、光斑分析儀、示波器等組成，光斑分析儀作為空域分布測(cè)量系統(tǒng)，可以實(shí)時(shí)測(cè)量脈沖激光光斑的形狀，和脈沖激光能量的空域分布情況；示波器作為時(shí)域分布測(cè)量系統(tǒng)，可以實(shí)時(shí)測(cè)量脈沖激光能量的時(shí)域變化情況和脈寬；激光損傷探測(cè)系統(tǒng)包括損傷探測(cè)CCD，可在線探測(cè)樣品受強(qiáng)激光照射后的損傷情況。

激光損傷閾值測(cè)量裝置涉及的觸發(fā)設(shè)備比較多，首先需要同步觸發(fā)信號(hào)來(lái)控制激光器的出光時(shí)間，以及輸出激光的脈寬和頻率，并需要同步觸發(fā)信號(hào)來(lái)測(cè)量每發(fā)脈沖激光的能量密度、能量分布、光斑形狀、脈沖寬度，還需要同步觸發(fā)信號(hào)來(lái)采集脈沖激光照射到測(cè)試點(diǎn)前后的散射光圖像，來(lái)進(jìn)行激光損傷探測(cè)。然而每個(gè)設(shè)備的啟動(dòng)時(shí)間都不相同，工作的先后順序也不相同，這就需要多路同步觸發(fā)模塊進(jìn)行協(xié)調(diào)，多路同步觸發(fā)模塊的主要功能，就是按照每個(gè)設(shè)備的啟動(dòng)時(shí)間，在特定時(shí)間的特定輸出端口上，輸出特定寬度和特定電平的脈沖信號(hào)，依次按照指令要求觸發(fā)脈沖激光器、能量計(jì)、空域分布測(cè)量系統(tǒng)的光斑分析儀、時(shí)域分布測(cè)量系統(tǒng)的示波器，和激光損傷探測(cè)系統(tǒng)的CCD 等設(shè)備，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)裝置中各個(gè)設(shè)備的工作狀態(tài)，進(jìn)行統(tǒng)一安排精確調(diào)度，并可以通過(guò)上位機(jī)主控軟件進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)設(shè)置，保證各個(gè)設(shè)備達(dá)到正確的匹配狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)從出光到入射再到損傷的全程測(cè)量。因此，高精度的多路同步觸發(fā)模塊，作為控制協(xié)調(diào)各個(gè)設(shè)備啟動(dòng)工作的控制器，是研制激光損傷閾值測(cè)量裝置的關(guān)鍵技術(shù)之一。

目前，現(xiàn)有的多路同步觸發(fā)功能有以下幾種實(shí)現(xiàn)方式：首先是通過(guò)類(lèi)似數(shù)字延時(shí)脈沖發(fā)生器DG535 等設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)，DG535 只有4 路輸出通道，4 路輸出脈沖的參數(shù)可以通過(guò)前面板設(shè)置或編程接口設(shè)置，但由于是通用設(shè)備，無(wú)法根據(jù)項(xiàng)目具體需求進(jìn)行定制，且輸出通道有限，還需要人工設(shè)置參數(shù)；其次是由各種無(wú)穩(wěn)和單穩(wěn)的定時(shí)芯片組成的脈沖信號(hào)發(fā)生器，各路輸出脈沖的參數(shù)需要調(diào)節(jié)配置電阻電容來(lái)調(diào)節(jié)，以上兩種方案都無(wú)法通過(guò)上位機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)自動(dòng)化操作控制，給設(shè)備的安裝調(diào)試和實(shí)際測(cè)量均帶來(lái)不便，導(dǎo)致精度低、效率低，集成度低；最后是通過(guò)單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的嵌入式脈沖信號(hào)發(fā)生器，文獻(xiàn)[4]中通過(guò)單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)多路同步觸發(fā)模塊，并通過(guò)上位機(jī)來(lái)通信和控制，但由于單片機(jī)軟件的延遲較大，導(dǎo)致實(shí)時(shí)性差，而且軟件精度差，導(dǎo)致其輸出信號(hào)的精度低，進(jìn)而導(dǎo)致系統(tǒng)的重復(fù)性和穩(wěn)定性差。

1 基本方案

為了提高同步觸發(fā)電路的精度、集成度和自動(dòng)化程度，本文提出了基于FPGA 的嵌入式多路同步觸發(fā)方案，F(xiàn)PGA 芯片基于硬線邏輯，具有精度高、速度快、資源豐富以及封裝小、功耗小等特點(diǎn)，因此可實(shí)現(xiàn)精度高、實(shí)時(shí)性好、穩(wěn)定性高、集成度高的嵌入式方案，可滿足激光損傷閾值自動(dòng)測(cè)量裝置的同步觸發(fā)需求，可極大地提高設(shè)備的精度、效率、集成度和自動(dòng)化程度。

如圖1 所示，實(shí)線所指為激光光路信號(hào)，虛線所指為數(shù)據(jù)通訊信號(hào)，分隔線所指為同步觸發(fā)模塊的觸發(fā)信號(hào)。在激光損傷閾值測(cè)量過(guò)程中，上位機(jī)分別來(lái)控制激光器的輸出激光的能量密度、激光偏振態(tài)的改變、電動(dòng)快門(mén)的開(kāi)合，以及損傷探測(cè)運(yùn)轉(zhuǎn)動(dòng)臺(tái)的掃描測(cè)試，并實(shí)現(xiàn)和多路同步觸發(fā)模塊的通訊；高能激光信號(hào)從激光器出光后，經(jīng)過(guò)2 個(gè)楔形分束鏡后，可將強(qiáng)激光信號(hào)分布到各個(gè)探測(cè)設(shè)備，各個(gè)探測(cè)設(shè)備再通過(guò)通訊信號(hào)，將采集的各種數(shù)據(jù)、圖像等信息，通過(guò)各種數(shù)據(jù)接口傳輸給上位機(jī)。其中，通過(guò)光路調(diào)校，光斑分析儀CCD 靶面與樣品的待測(cè)面對(duì)稱(chēng)共軛，光斑分析儀采集得到的脈沖激光光斑的大小就是輻照到待測(cè)樣品測(cè)量點(diǎn)的光斑大??；激光能量計(jì)測(cè)量得到的脈沖激光的能量值，通過(guò)USB 接口傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)，計(jì)算機(jī)的主控軟件將分束后的反射光的能量乘以分束比，就可以計(jì)算出輻照到待測(cè)樣品測(cè)量點(diǎn)的脈沖激光能量。

圖1 激光損傷閾值測(cè)量原理圖Fig.1 Schematic diagram of laser damage threshold measurement

激光損傷閾值測(cè)量裝置中選擇的激光器，其輸出脈沖寬度一般為10 ns 左右[5]，所選設(shè)備的同步觸發(fā)信號(hào)的脈寬要求都是微秒級(jí)[6-7]，因此，多路同步觸發(fā)模塊的脈沖時(shí)序調(diào)節(jié)精度應(yīng)該在納秒級(jí)，脈沖寬度調(diào)節(jié)精度應(yīng)該在微秒級(jí)。激光脈沖信號(hào)的10 ns 信號(hào)只有出現(xiàn)在光斑分析儀的曝光時(shí)間內(nèi)，以及能量計(jì)的測(cè)量時(shí)間內(nèi)，才能被正常采集和測(cè)量，因此要保證在激光信號(hào)到來(lái)之時(shí)，所有設(shè)備已經(jīng)進(jìn)入正常工作狀態(tài)。激光信號(hào)轉(zhuǎn)瞬即逝，多路同步觸發(fā)模塊需要通過(guò)讀取設(shè)備說(shuō)明書(shū)，或者對(duì)設(shè)備進(jìn)行實(shí)際測(cè)試，來(lái)得到所有設(shè)備對(duì)外部觸發(fā)信號(hào)的脈寬和電平要求，以及所有設(shè)備在外觸發(fā)信號(hào)到達(dá)后進(jìn)入工作狀態(tài)的啟動(dòng)時(shí)間設(shè)置延遲參數(shù)，來(lái)精確控制每路輸出同步觸發(fā)信號(hào)的脈寬、電平和時(shí)間，實(shí)現(xiàn)激光器、光斑分析儀、能量計(jì)、光電探測(cè)器、示波器、損傷探測(cè)CCD 等所有設(shè)備在測(cè)量中精確配合，就可以順利完成一次采集和測(cè)量。要實(shí)現(xiàn)各個(gè)設(shè)備時(shí)序上精確配合，必須提高多路同步觸發(fā)模塊的調(diào)節(jié)精度、調(diào)節(jié)范圍、觸發(fā)穩(wěn)定性等技術(shù)指標(biāo)。

2 模塊組成和工作流程

多路同步觸發(fā)模塊由FPGA、晶振、配置電路、RS232 接口電路、電源轉(zhuǎn)換電路，以及電平轉(zhuǎn)換電路組成。多路同步觸發(fā)模塊作為系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，要求的是輸出的多路脈沖信號(hào)的相對(duì)時(shí)間的精確，通過(guò)RS232 串口通訊與上位機(jī)通訊，并響應(yīng)上位機(jī)的操控指令。

2.1 模塊組成

模塊采用硬線邏輯的FPGA 作為主控芯片，來(lái)實(shí)現(xiàn)同步觸發(fā)控制電路的設(shè)計(jì)，保證了系統(tǒng)的精確性和實(shí)時(shí)性，使上位機(jī)通訊指令設(shè)置的同步脈沖寬度和延遲時(shí)間嚴(yán)格可控；根據(jù)時(shí)鐘速率、整體性能、邏輯單元和引腳的需求，F(xiàn)PGA 采用Altera公司颶風(fēng)3 系列的EP3C10F256C6，該款芯片擁有10 320 個(gè)邏輯單元，可提供多達(dá)182 個(gè)可用I/O 引腳，采用 256 個(gè)引腳的BGA 封裝形式，作為颶風(fēng)3 系列最快的6 速度等級(jí)的器件，自帶2 個(gè)內(nèi)部鎖相環(huán)，可將輸入時(shí)鐘進(jìn)行倍頻；晶振為整個(gè)電路提供穩(wěn)定精確的時(shí)間基準(zhǔn)，采用50 MHz 有源晶振作為FPGA 的輸入時(shí)鐘，通過(guò)FPGA 內(nèi)部自帶的鎖相環(huán)倍頻到500 MHz，作為FPGA 內(nèi)部多個(gè)分頻計(jì)數(shù)模塊的系統(tǒng)時(shí)鐘，可以使同步觸發(fā)信號(hào)時(shí)序調(diào)節(jié)精度達(dá)到2 ns，將晶振的基準(zhǔn)信號(hào)進(jìn)行分頻、并進(jìn)行脈寬調(diào)節(jié)，得到頻率可調(diào)、脈沖寬度為晶振基準(zhǔn)信號(hào)周期整數(shù)倍的觸發(fā)信號(hào)，最終同步觸發(fā)信號(hào)脈寬可實(shí)現(xiàn)從最小10 ns～1 ms 連續(xù)可調(diào)，同步觸發(fā)信號(hào)頻率可實(shí)現(xiàn)100 Hz～1 Hz 連續(xù)可調(diào)，指標(biāo)和操作性?xún)?yōu)于其他技術(shù)方案[8-10]；RS232 接口電路作為通訊接口，可實(shí)現(xiàn)FPGA 與系統(tǒng)上位機(jī)之間的通訊和指令設(shè)置；配置電路主要是FPGA 的外部FLASH 芯片，由于FPGA 為基于SRAM 的芯片，內(nèi)部沒(méi)有存儲(chǔ)單元，每次上電或重啟時(shí)，都需要通過(guò)訪問(wèn)外部FLASH 芯片來(lái)重新加載程序及參數(shù)等配置數(shù)據(jù)；由于FPGA 芯片輸出的信號(hào)電平都為電平值3.3 V 的單端TTL 電平信號(hào)，而負(fù)載的接口電平一般為5 V 的TTL 電平或者差分信號(hào)，因此需要通過(guò)電平轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行轉(zhuǎn)換，電平轉(zhuǎn)換電路可根據(jù)所有設(shè)備的不同觸發(fā)需求，來(lái)輸出不同電壓值的TTL 電平的單端信號(hào)，以及差分信號(hào)，其中的3.3 V 轉(zhuǎn)5 V 電平轉(zhuǎn)換功能通過(guò)芯片SN74LVC2T45 DCUR 完成，該芯片3.3 V 到5 V 的轉(zhuǎn)換速率為420 Mbps，單端信號(hào)轉(zhuǎn)差分信號(hào)功能通過(guò)芯片MAX3490 來(lái)實(shí)現(xiàn)；電源轉(zhuǎn)換電路為整個(gè)模塊的各個(gè)單元，提供模塊所需要的供電電壓，主要由電源管理芯片組成，包括低壓差線性穩(wěn)壓器和開(kāi)關(guān)電源，還包括三極管電路來(lái)滿足電流型負(fù)載的驅(qū)動(dòng)需求。多路同步觸發(fā)模塊組成如圖2 所示。

圖2 多路同步觸發(fā)模塊組成Fig.2 Composition of multi-channel synchronous trigger module

2.2 工作流程

在激光損傷閾值測(cè)量系統(tǒng)中，主控計(jì)算機(jī)的控制界面，可設(shè)置多路同步觸發(fā)模塊的脈沖指令，并經(jīng)過(guò)RS223 串口通信接口實(shí)時(shí)傳遞給多路同步觸發(fā)模塊。同步觸發(fā)模塊首先根據(jù)通訊協(xié)議對(duì)指令進(jìn)行參數(shù)解析，并通過(guò)內(nèi)置的延時(shí)寄存器、頻率計(jì)數(shù)器、脈寬計(jì)數(shù)器和脈沖個(gè)數(shù)計(jì)數(shù)器，對(duì)輸出信號(hào)的延時(shí)、頻率、脈寬和脈沖個(gè)數(shù)進(jìn)行設(shè)置和調(diào)整，然后根據(jù)指令設(shè)置的各路同步信號(hào)延遲時(shí)間，向?qū)?yīng)設(shè)備發(fā)送相應(yīng)的同步脈沖信號(hào)。模塊可在接收到相應(yīng)通道或者全部通道的開(kāi)始和停止指令時(shí)，則立即開(kāi)始和停止輸出同步觸發(fā)脈沖信號(hào)。多路同步觸發(fā)模塊在系統(tǒng)中的接口關(guān)系如圖3 所示。

圖3 多路同步觸發(fā)模塊接口關(guān)系Fig.3 Interface relationship of multi-channel synchronous trigger module

3 性能指標(biāo)

該方案的計(jì)數(shù)時(shí)鐘是500 MHz，每路信號(hào)的調(diào)節(jié)精度為2 ns，多路同步觸發(fā)信號(hào)之間的相對(duì)延時(shí)調(diào)節(jié)精度也是2 ns。為了驗(yàn)證方案的有效性，通過(guò)該硬件方案輸出了兩路脈寬相同的同步觸發(fā)信號(hào)，該兩路信號(hào)的脈沖寬度都是4 ns，相對(duì)延時(shí)是2 ns，如圖4 所示，脈沖的上升沿是4 s，下降沿也是4 ns，脈沖寬度是10 ns，因此滿足激光損傷閾值測(cè)量裝置對(duì)多路同步觸發(fā)模塊的精度要求。

圖4 觸發(fā)脈沖信號(hào)延時(shí)調(diào)節(jié)精度Fig.4 Delay adjustment accuracy of trigger pulse signal

該多路同步觸發(fā)模塊的指標(biāo)如表1 所示。該模塊可以根據(jù)實(shí)際需求對(duì)方案進(jìn)行調(diào)整，可滿足激光損傷閾值測(cè)量裝置的實(shí)際需求。

表1 多路同步觸發(fā)模塊的主要性能指標(biāo)Table 1 Main performance indexes of multi channel synchronous trigger module

4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試與分析

為了驗(yàn)證同步觸發(fā)模塊的性能，搭建實(shí)驗(yàn)環(huán)境，對(duì)其性能進(jìn)行驗(yàn)證，涉及到的設(shè)備有脈沖激光器光源、能量計(jì)、示波器、光斑分析儀、損傷探測(cè)CCD等[11]。

4.1 脈沖激光器光源

脈沖激光器作為整個(gè)系統(tǒng)的光源輸入，直接決定著損傷閾值測(cè)量的精確度和準(zhǔn)確性，本實(shí)驗(yàn)采用北京鐳寶公司的泵浦Nd:YAG 激光器作為整個(gè)系統(tǒng)的光源。SGR-20 是1 款高能量的燈泵浦Nd:YAG 納秒脈沖激光器，能量大，擴(kuò)展性強(qiáng)，結(jié)構(gòu)緊湊，基頻輸出波長(zhǎng)為1.064 μm，通過(guò)倍頻晶體等二倍頻和三倍頻模塊，可以輸出0.532 μm 和0.355 μm 波長(zhǎng)的激光，輸出模式為T(mén)EMR00，可滿足測(cè)試儀雙波長(zhǎng)的損傷閾值測(cè)量要求。脈寬為10 ns，最大脈沖能量為2 J（1 064 nm），工作頻率1 Hz～5 Hz 可調(diào)，能量穩(wěn)定性0.45% @1 064 nm/1.7% @532 nm/2.4% @355 nm，發(fā)散角0.303 mrad，光斑直徑20 mm。激光器實(shí)物圖和控制屏如圖5所示。

圖5 SGR-20 激光器及控制屏Fig.5 SGR-20 laser device and control panel

通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，SGR-20 輸出激光的最高能量大于2 J，能量穩(wěn)定度優(yōu)于1.0%，光束質(zhì)量?jī)?yōu)良，其近場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)光斑如圖6 所示，輸出光斑的直徑約為20 mm，本光源系統(tǒng)和可變衰減器組合后，可在待測(cè)元件表面獲得能量密度0.1 J/cm2～100 J/cm2的脈沖激光。SGR-20 具有外促發(fā)接口和通訊接口，可以實(shí)現(xiàn)同步觸發(fā)控制和遠(yuǎn)程控制，這為精確測(cè)量脈沖寬度和聚焦光斑的尺寸提供了必要的接口條件。

圖6 SGR-20 的近場(chǎng)光斑和遠(yuǎn)場(chǎng)光斑Fig.6 Near-field and far-field spot of SGR-20

4.2 示波器

示波器選用英國(guó)PicoScope 公司6000 系列的高性能USB 示波器6404D，模擬帶寬500 MHz，單通道采樣率5 GS/s，可直接通過(guò)USB 接口傳輸信號(hào)波形，操作方便且集成度高，示波器可獲取脈沖激光器的實(shí)時(shí)波形，為了及時(shí)準(zhǔn)確地采集到脈沖激光信號(hào)的時(shí)域波形，首先需要通過(guò)光電探測(cè)器將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，其次需要給示波器1 個(gè)外觸發(fā)的同步信號(hào)，方便準(zhǔn)確及時(shí)采集信號(hào)。時(shí)域波形就是脈沖激光功率的時(shí)間分布情況，功率的時(shí)間分布的積分，就是脈沖激光的能量Q，而Q與脈沖峰值功率Ppk的比值，稱(chēng)為有效脈沖寬度τeff，用式（1）表示，示意圖如圖7 所示[12]。

圖7 有效脈寬Fig.7 Effective pulse width

圖8 和圖9 為通過(guò)示波器采集到的SGR-20 激光器532 nm 和1 064 nm 脈沖激光的波形，按式（1）進(jìn)行計(jì)算，得到SGR-20 激光器532 nm 和1 064 nm的有效脈寬分別為7.92 ns 和9.61 ns。

圖9 1 064nm 激光脈沖波形Fig.9 Laser pulse waveform at 1 064 nm

4.3 能量計(jì)

能量計(jì)選用Gentec-EO 公司的QE-B-MT 系列，具有50 nJ 的極低噪聲水平，靈敏度為2 400 V/J，最大測(cè)量能量1.3 mJ，最大重復(fù)頻率1 000 Hz，可通過(guò)外部信號(hào)觸發(fā)，采用USB 接口傳輸測(cè)量數(shù)據(jù)，可實(shí)時(shí)獲取脈沖激光器的能量，該款能量計(jì)的損傷閾值參數(shù)如表2 所示，滿足試驗(yàn)需要。

表2 能量計(jì)的損傷閾值參數(shù)Table 2 Damage threshold parameters of energy meters

4.4 光斑分析儀

光斑分析儀選用THORLABS 公司的BC106N系列，由濾光片、面陣相機(jī)和操控軟件組成，可實(shí)時(shí)獲取脈沖激光的光斑有效面積以及空域能量分布情況，其實(shí)物圖如圖10 所示。

圖10 光斑分析儀Fig.10 Beam spot analyzer

在有效面積實(shí)時(shí)測(cè)試前,先要調(diào)試光斑分析儀的位置，使光斑分析儀的位置與被測(cè)樣品的位置形成共軛。由于本項(xiàng)目采用大能量激光器，必須保證入射到光束分析儀上的激光不產(chǎn)生損傷和飽和現(xiàn)象，因此必須對(duì)入射激光進(jìn)行合適的衰減。光斑分析儀捕獲到的脈沖激光光斑圖像參數(shù)如圖11 所示。

圖11 脈沖激光光斑圖像參數(shù)Fig.11 Pulsed laser spot

4.5 損傷探測(cè)相機(jī)

在線顯微成像方法可以在輻照過(guò)程中直接檢查樣品表面狀態(tài)，通過(guò)比較輻照前后樣品表面圖像判斷損傷，具有可靠性高、直觀且適合自動(dòng)測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)，在損傷閾值自動(dòng)測(cè)試領(lǐng)域被廣泛采用。在線顯微檢測(cè)相機(jī)選用北京微視的CDM-A4000，分辨率為2 048×2 048，配置0.6 ×～8 ×變倍顯微鏡頭，高達(dá)13.3 ×變倍比，工作距離80±2 mm，像面大小2/3"，物方分辨率最高可達(dá)1.56 μm，適應(yīng)不同檢測(cè)需求，可滿足試驗(yàn)需要，實(shí)物如圖12 所示。本文中裝置通過(guò)照明光源與在線顯微相機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)損傷自動(dòng)判斷[13]，如圖13 所示。

圖12 在線顯微檢測(cè)相機(jī)Fig.12 Online microscopy camera

圖13 在線顯微損傷探測(cè)系統(tǒng)Fig.13 Damage detection system by online microscopy

4.6 損傷實(shí)驗(yàn)

根據(jù)各個(gè)設(shè)備的觸發(fā)電平、觸發(fā)接口、啟動(dòng)時(shí)間需求，就可以具體設(shè)置其外觸發(fā)的參數(shù)。本裝置中所采用的短脈沖激光的脈寬為10 ns 左右，其中激光器CLK in 是激光器的時(shí)鐘信號(hào)，周期為100 ms；激光器Q in 是激光器的出光控制信號(hào)，需要固定延遲CLK in 信號(hào)500 μs 信號(hào)發(fā)出，當(dāng)激光器接收到Q in 信號(hào)的上升沿后，固定延遲1 μs 后出光，出光抖動(dòng)為±2 ns；表2 對(duì)裝置中所需設(shè)備的同步觸發(fā)的實(shí)際需求進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，所有設(shè)備的啟動(dòng)時(shí)間均為外觸發(fā)信號(hào)上升沿到達(dá)后，設(shè)備開(kāi)始工作的時(shí)間間隔；所有設(shè)備的延遲參數(shù)，均以激光器出光前的CLK in 時(shí)鐘信號(hào)上升沿為零時(shí)刻，則激光器實(shí)際出光時(shí)刻為零時(shí)刻后的501 μs；所有通道的外觸發(fā)脈沖寬度均為50 μs，具體同步觸發(fā)時(shí)序圖如圖14 所示，該圖為示意圖，所示波形和脈沖間隔與實(shí)際情況并非線性對(duì)應(yīng)。具體同步觸發(fā)信號(hào)參數(shù)如表3 所示。

表3 同步觸發(fā)信號(hào)參數(shù)Table 3 Synchronous trigger signal parameters

圖14 同步觸發(fā)時(shí)序圖Fig.14 Synchronous trigger timing diagram

采用Ф50.8 mm 的K9 玻璃作為實(shí)驗(yàn)基片，鍍制單面的1 064 nm 反射膜，垂直入射，設(shè)置好同步觸發(fā)參數(shù)后，并對(duì)個(gè)別參數(shù)進(jìn)行了微調(diào)，通過(guò)1-on-1 方式[14]，每個(gè)能量密度下輻照10 個(gè)點(diǎn)，能量密度臺(tái)階數(shù)設(shè)為10，最終各個(gè)設(shè)備均成功實(shí)現(xiàn)采集和測(cè)量；其中，光束的有效面積[15]為0.6 mm2，激光脈沖的有效寬度為10 ns，激光器能量穩(wěn)定性?xún)?yōu)于1%，可變衰減器的范圍從0.1%～97%，搭建的實(shí)驗(yàn)環(huán)境如圖15 所示。

圖15 激光損傷閾值測(cè)量裝置Fig.15 Laser damage threshold test device

隨著脈沖數(shù)連續(xù)增加，樣品基片上開(kāi)始出現(xiàn)色斑損傷，色斑損傷面積幾乎不會(huì)發(fā)生太大改變，且對(duì)元件光學(xué)性能影響甚微；隨著脈沖數(shù)繼續(xù)增加，色斑會(huì)進(jìn)一步演變成層裂損傷，一旦層裂損傷產(chǎn)生，則會(huì)在一定條件下迅速擴(kuò)張，由初始的單層層裂(單環(huán)結(jié)構(gòu))迅速發(fā)展為多層層裂(多環(huán)嵌套結(jié)構(gòu))，直至基底材料暴露，此時(shí)損傷區(qū)域膜層喪失高反功能。圖16 為測(cè)試過(guò)程中，在線觀測(cè)到的高反射膜層的色斑隨脈沖數(shù)的變化圖。

圖16 色斑隨激光脈沖數(shù)變化Fig.16 Speckle changes with numbers of laser pulses

5 結(jié)論

本文針對(duì)激光損傷閾值測(cè)量裝置的實(shí)際需求，提出了一種基于FPGA 的嵌入式同步觸發(fā)方案，實(shí)現(xiàn)了ns 級(jí)的高精度同步脈沖信號(hào)的控制，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了方案的可行性，極大地提高了同步觸發(fā)模塊的效率和自動(dòng)化程度，具有廣泛使用價(jià)值。

由于激光技術(shù)的發(fā)展迅猛，激光器的能量越來(lái)越大，激光脈沖的寬度越來(lái)越窄，損傷閾值的控制要求越來(lái)越復(fù)雜，對(duì)同步觸發(fā)模塊的控制精度要求也會(huì)越來(lái)越高，下一步可對(duì)同步觸發(fā)模塊進(jìn)行進(jìn)一步的研究，提高同步脈沖的調(diào)節(jié)精度，并壓縮脈沖寬度，實(shí)現(xiàn)皮秒級(jí)的同步觸發(fā)模塊方案。