一种超快激光的功率反馈系统的制作方法

本发明涉及飞秒激光器功率反馈，特别涉及一种超快激光的功率反馈系统。

背景技术：

1、飞秒激光器通过锁模技术产生飞秒级（10-15秒）超短脉冲，具有峰值功率高、脉冲宽度极窄、重复频率高等特点，在精密微加工、超快光谱、生物医学成像、材料科学研究等领域具有不可替代的应用价值。飞秒激光器输出功率及单脉冲能量的稳定性，直接决定相关应用的精度、重复性与可靠性，因此，实现飞秒激光器功率的高速、高精度反馈控制至关重要。

2、目前，飞秒激光器功率反馈主要采用传统激光反馈方案或简单高速信号采集方案，公开的相关技术主要包括：

3、1、采用光电探测器将激光光强转换为电信号，通过固定增益放大电路对电信号进行放大，再通过低速模数转换器（adc，analog-to-digital converter）采集信号，基于信号平均值进行反馈控制；

4、2、采用高速光电探测器配合高速比较器，实现激光功率阈值报警，无法对功率进行量化反馈与闭环调节；

5、3、采用高速模数转换器直接采集光电探测器输出信号，未设置信号衰减、可控增益放大、峰值检测等适配电路，无法匹配飞秒激光信号特性。

6、现有技术存在的缺陷或不足：

7、1、无法适配飞秒脉冲超快特性：飞秒激光脉冲的载波周期为飞秒量级，但其包络信号经光电探测器转换后上升沿可达纳秒至亚纳秒级，传统均值反馈不能反映单脉冲真实能量。

8、2、带宽不足、响应慢：传统反馈带宽≤10mhz，无法跟踪飞秒脉冲瞬态波动，反馈延迟大、稳定性差。

9、3、动态范围受限：现有技术多采用固定增益放大电路，低功率工况下弱信号信噪比低，高功率工况下信号易饱和，无法适配飞秒激光器多档位功率输出；

10、4、抗干扰能力弱：现有技术多采用单端信号传输方式，高速信号易受电源纹波、电磁干扰影响，导致反馈信号抖动，功率控制稳定性差；

11、5、无闭环增益调节能力：现有技术未设置可控增益闭环调节机制，无法实时补偿激光功率漂移及环境干扰，长期稳定性差。

技术实现思路

1、根据本发明实施例，提供了一种超快激光的功率反馈系统，包含：光电探测模块、信号衰减模块、可控增益放大模块、脉冲峰值检测与快速放电模块、减法差分调理模块、单端转差分模块、高速模数转换模块以及fpga闭环控制模块；

2、光电探测模块用于接收飞秒激光器经分束器引出的取样光束，将光脉冲转换为电压信号；

3、信号衰减模块的输入端与光电探测模块的输出端连接，用于对电压信号进行衰减；

4、可控增益放大模块的输入端与信号衰减模块的输出端连接，增益控制端接收增益控制电压，用于对衰减后的电压信号进行可变增益放大；

5、脉冲峰值检测与快速放电模块的输入端与可控增益放大模块的输出端连接，用于在采样阶段跟踪输入信号、在保持阶段锁定峰值电压，并在接收到放电复位控制信号时进行快速放电复位；

6、减法差分调理模块的输入端与脉冲峰值检测与快速放电模块的输出端连接，用于对峰值电压信号进行电平移位并消除直流偏移，输出双极性信号；

7、单端转差分模块的输入端与减法差分调理模块的输出端连接，用于将双极性信号转换为差分信号；

8、高速模数转换模块的输入端与单端转差分模块的输出端连接，用于接收adc采样时钟，将差分信号转换为数字峰值数据；

9、fpga闭环控制模块与可控增益放大模块、脉冲峰值检测与快速放电模块、高速模数转换模块相连，被配置为：输出出光触发信号至飞秒激光器；输出峰值保持控制信号、放电复位控制信号至脉冲峰值检测与快速放电模块；输出adc采样时钟至高速模数转换模块；接收数字峰值数据，并根据数字峰值数据计算单脉冲能量，与设定值比较得到功率偏差，基于功率偏差输出增益控制电压至可控增益放大模块，以及输出泵浦源调节信号至飞秒激光器泵浦源，形成闭环反馈。

10、进一步，光电探测模块包含：光电探测器、第一运算放大器以及反馈电阻；

11、光电探测器用于接收飞秒激光器经分束器引出的取样光束；

12、第一运算放大器的反相输入端与光电探测器的阴极相连，同相输入端接地，第一运算放大器的输出端与信号衰减模块的输入端相连，光电探测器的阳极接地；

13、反馈电阻跨接于第一运算放大器的输出端和反相输入端之间。

14、进一步，光电探测模块还包含：第八电容，第八电容并联在反馈电阻的两端。

15、进一步，信号衰减模块包含：第二电阻、第三电阻、第四电阻、第五电阻以及第六电阻；

16、第四电阻的一端与光电探测模块输出端、第二电阻的一端、第三电阻的一端相连，第四电阻的另一端与可控增益放大模块的输入端、第五电阻的一端以及第六电阻的一端相连；

17、第二电阻、第三电阻、第五电阻以及第六电阻的另一端接地。

18、进一步，可控增益放大模块包含：第十一电阻、压控增益放大器、第十二电阻、第十三电阻以及第十四电阻；

19、第十一电阻的一端与信号衰减模块的输出端相连；

20、压控增益放大器的同相输入端与第十一电阻的另一端、第十二电阻的一端相连，压控增益放大器的反相输入端与第十三电阻的一端相连，压控增益放大器的增益控制端通过第十四电阻与fpga闭环控制模块相连，压控增益放大器的输出端与脉冲峰值检测与快速放电模块的输入端相连；

21、第十二电阻的另一端、第十三电阻的另一端接地。

22、进一步，可控增益放大模块还包含：第二运算放大器、第七电阻、第八电阻、第九电阻以及第十电阻；

23、第二运算放大器的同相输入端与第七电阻的一端、第十电阻的一端相连，第二运算放大器的反相输入端通过第八电阻接地，第二运算放大器的输出端与第十一电阻的一端相连；

24、第七电阻的另一端与信号衰减模块的输出端相连，第十电阻的另一端接地；

25、第九电阻跨接于第二运算放大器的输出端和反相输入端之间。

26、进一步，脉冲峰值检测与快速放电模块包含：集成芯片、第二十六电阻、第三十电阻、第二十二电阻、隔离二极管、保持电容、第二十一电阻、第十七电阻、第十八电阻、高速模拟开关以及第二十三电阻；

27、第二十六电阻的一端与第三十电阻的一端、可控增益放大模块的输出端相连，第二十六电阻的另一端与集成芯片的第一引脚相连；

28、第三十电阻的另一端接地；

29、集成芯片的第七引脚通过第二十二电阻与fpga闭环控制模块相连，集成芯片的第三引脚通过第十七电阻与集成芯片的第二引脚相连，集成芯片的第三引脚通过第十八电阻与减法差分调理模块的输入端相连，集成芯片的第五引脚与第二十一电阻的一端相连，集成芯片的第六引脚与隔离二极管的阳极相连，集成芯片的第四引脚接地；

30、第二十一电阻的另一端、隔离二极管的阴极、保持电容的一端以及高速模拟开关的第四引脚连接在一起；

31、保持电容另一端接地；

32、高速模拟开关的第六引脚与fpga闭环控制模块相连，高速模拟开关的第一引脚通过第二十三电阻接地。

33、进一步，减法差分调理模块包含：第三运算放大器、第二十五电阻、第十九电阻、第二十七电阻以及第十六电阻；

34、第二十五电阻的一端与脉冲峰值检测与快速放电模块的输出端相连，第二十五电阻的另一端与第三运算放大器的同相输入端、第二十七电阻的一端相连；

35、第二十七电阻的另一端接地；

36、第三运算放大器的反相输入端通过第十九电阻与参考电压相连，第三运算放大器的输出端与单端转差分模块的输入端相连；

37、第十六电阻跨接于第三运算放大器的输出端和反相输入端之间。

38、进一步，单端转差分模块包含：全差分放大器、第二十电阻、第二十八电阻、第二十四电阻、第二十九电阻、第十五电阻、第三十一电阻、第一电容以及第三电容；

39、全差分放大器的正输入端通过第二十电阻与减法差分调理模块的输出端相连，全差分放大器的负输入端通过第二十八电阻接地，全差分放大器的负输出端通过第二十四电阻与高速模数转换模块的输入端相连，全差分放大器的正输出端通过第二十九电阻与高速模数转换模块的输入端相连；

40、第十五电阻连接在全差分放大器的正输入端与第二十四电阻的一端之间；

41、第一电容连接在全差分放大器的正输入端与全差分放大器的负输出端之间；

42、第三十一电阻连接在全差分放大器的负输入端与第二十九电阻的一端之间；

43、第三电容连接在全差分放大器的负输入端与全差分放大器的正输出端之间。

44、进一步，高速模数转换模块包含：无源rlc毛刺滤波电路以及高速模数转换器；

45、无源rlc毛刺滤波电路与单端转差分模块的输出端相连；

46、高速模数转换器的输入端与无源rlc毛刺滤波电路相连，高速模数转换器的输出端与fpga闭环控制模块相连。

47、进一步，无源rlc毛刺滤波电路包含：第三十三电阻、第三十二电阻、第一电感、第四电容、第三十四电阻、第三十五电阻、第五电容、第六电容、第三十七电阻、第三十八电阻、第三十九电阻、第二电感、第七电容以及第三十六电阻；

48、第三十三电阻的一端与单端转差分模块的输出端相连，第三十三电阻的另一端与第三十二电阻的一端、第一电感的一端以及第六电容的一端相连；

49、第三十二电阻的另一端与第五电容的一端、第三十四电阻的一端以及第三十五电阻一端相连；

50、第三十五电阻的另一端与高速模数转换器相连；

51、第一电感的另一端与第四电容的另一端相连；

52、第三十七电阻的一端与单端转差分模块的输出端相连，第三十七电阻的另一端与第六电容的另一端、第三十八电阻的一端、第二电感的一端相连；

53、第七电容的一端与第二电感的另一端相连，第七电容的另一端与第三十八电阻的另一端、第三十九电阻的一端、第三十六电阻的一端相连；

54、第三十六电阻的另一端与高速模数转换器相连；

55、第五电容的一端与第三十四电阻的另一端、第三十九电阻的另一端相连，第五电容的另一端接地。

56、根据本发明实施例的一种超快激光的功率反馈系统，具备如下有益效果：

57、1.能够对每个飞秒脉冲进行峰值捕获，具有纳秒级的时间分辨率，能量分辨率达到高精度模数转换的量化水平。

58、2.放电复位时间极短，能够支持高重复频率飞秒激光器的逐脉冲峰值检测与反馈。

59、3.闭环带宽充足，可有效抑制激光器泵浦纹波、温度漂移等低频扰动。

60、4.弱信号经可控增益放大后信噪比显著提升，强信号无削顶失真，动态范围宽。

61、5.差分传输使板间连接线可延长至较长距离仍能保持信号完整性，便于系统分体布局。

62、6.实现飞秒激光器输出功率的实时、高精度闭环稳定控制，显著提升超快加工、超快光谱等应用的重复性和可靠性。

63、要理解的是，前面的一般描述和下面的详细描述两者都是示例性的，并 且意图在于提供要求保护的技术的进一步说明。