CN115037363B - 一种基于平衡光脉冲的电子束到达时间测量装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于平衡光脉冲的电子束到达时间测量装置，包括低噪声微波源和锁模激光器，锁模激光器锁定在低噪声微波源上，锁模激光器输出光脉冲串，沿光脉冲串传播方向依次设置有延迟线、准直器、环形器、耦合器和电光调制器，耦合器与电光调制器形成光回路，耦合器还与一平衡探测器连接，平衡探测器与一反馈控制器连接，反馈控制器与延迟线连接，电光调制器还与一电子束信号耦合装置连接。本发明的基于平衡光脉冲的电子束到达时间测量装置，采用平衡探测器，可极大地抑制共模噪声，从而极大地提高了电子束到达时间的探测分辨率，且由于平衡探测器采用差分结构，输入的光脉冲的幅度变化并不会体现在平衡探测器输出的鉴相电压中，可减小误差。
Description
技术领域
本发明涉及电子束到达时间测量领域，更具体地涉及一种基于平衡光脉冲的电子束到达时间测量装置。
背景技术
现有的电子束到达时间测量方案包括两类，第一类是基于纯射频的方案，第二类是基于电光调制的方案。
如图1所示，第一类方案通过电子束耦合腔耦合出对应谐波频率的射频信号并与射频线缆传输的参考信号U参考＝V参考sin[2π(f0-fIF)t+θ)]进行混频下变频处理，得到下变频信号/>然后通过高速数据采集和信号处理后解析出电子束相对于射频参考信号的到达时间。这类方案存在的问题有：作为电子束到达时间的参考时钟信号是通过射频线缆进行传输，射频线缆在传输的过程中因为环境温度的变化而引起温漂，而这部分因为无法得到有效补偿而被当作是电子束到达时间的误差，因此这也是限制该类方案测量灵敏度的主要原因；另一方面，因为电子束耦合腔耦合产生的射频信号与射频参考信号下变频后获得的信号仍是一个频率值较大的信号，因此对后续的高速数据采集和信号处理要求很高。
如图2所示，第二类方案的基本原理为：电子束耦合腔耦合产生的射频信号通过电光调制器调制作为参考信号的激光脉冲串，通过将电子束的到达时间信号转换到激光脉冲串中的幅度信号，通过高速数据采集和处理最终解析出电子束的到达时间信息。这类方案存在的问题有，该方案是通过带有电子束到达时间信息的射频信号调制激光脉冲串的幅度，将电子束的时间信息转移到激光脉冲串的幅度中，但是如果激光脉冲串自身幅度瞬时的变化会被直接误认为是电子束的到达时间变化，从而产生误差；另一方面，射频信号需要和参考激光脉冲的重复频率相同，一般都是几百兆赫兹，因此对数据采集速度、精度和信号处理等要求很高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于平衡光脉冲的电子束到达时间测量装置，其测量误差小，分辨率高。
本发明提供一种基于平衡光脉冲的电子束到达时间测量装置，包括低噪声微波源和锁模激光器，所述锁模激光器锁定在所述低噪声微波源上，所述锁模激光器输出光脉冲串，沿所述光脉冲串传播方向依次设置有延迟线、准直器、环形器、耦合器和电光调制器，所述耦合器具有位于一侧的第一端口、第二端口和第三端口、以及位于另一侧的第四端口、第五端口和第六端口，所述第二端口与所述环形器连接，所述耦合器通过所述第四端口和所述第六端口与所述电光调制器形成光回路，所述第一端口和所述第三端口分别与一平衡探测器连接，所述平衡探测器与一反馈控制器连接，所述反馈控制器与所述延迟线连接，所述电光调制器还与一电子束信号耦合装置连接，所述电子束信号耦合装置向所述电光调制器输入一携带电子束时间信息的射频信号。
进一步地，所述光脉冲串从所述第二端口输入所述耦合器中后分成第一路光脉冲、第二路光脉冲和第三路光脉冲，分别从所述第四端口、所述第五端口和所述第六端口输出，所述第一路光脉冲和所述第三路光脉冲相向通过所述电光调制器后在所述耦合器中重新合路形成合路光脉冲，所述合路光脉冲分成第四路光脉冲、第五路光脉冲和第六光脉冲并分别从所述第一端口、所述第二端口和所述第三端口输出。
进一步地，所述第五端口输出的第二路光脉冲由第一光电探测器接收，所述第二端口输出的所述第五路光脉冲经过所述环形器后由第二光电探测器接收。
进一步地，所述电子束信号耦合装置包括电子束耦合腔、合路器和限幅器，所述合路器分别与所述电子束耦合腔的两端连接，所述限幅器与所述合路器连接，所述电光调制器与所述限幅器连接。
进一步地，所述电光调制器具有射频端口，所述限幅器与所述射频端口连接。
进一步地，所述延迟线设置为根据所述反馈控制器的反馈调节所述光脉冲串以使所述光脉冲串始终在所述射频信号的最大斜率点。
进一步地，所述平衡探测器包括第三光电探测器、第一电阻、第一运算放大器、第四光电探测器、第二电阻、第二运算放大器、跨阻抗放大器和第三运算放大器，第一电阻的一端连接电源正极，另一端连接第三光电探测器的正极，第一运算放大器分别连接第一电阻的两端，第三光电探测器的负极连接第四光电探测器的正极，第四光电探测器的负极连接第二电阻的一端，第二电阻的另一端连接电源负极，第二运算放大器分别连接第二电阻的两端，跨阻抗放大器的一端连接第三光电探测器的负极，另一端连接第三运算放大器。
进一步地，所述第三光电探测器具有第一输入端口，所述第四光电探测器具有第二输入端口，所述第一输入端口连接所述耦合器的所述第一端口，所述第二输入端口连接所述耦合器的所述第三端口。
进一步地，所述第一运算放大器具有第一输出端口，所述第二运算放大器具有第二输出端口，所述第三运算放大器具有第三输出端口，所述第一输出端口、所述第二输出端口和所述第三输出端口均连接于所述反馈控制器。
进一步地，所述准直器、所述环形器、所述耦合器、所述电光调制器、所述平衡探测器、所述第一光电探测器和所述第二光电探测器置于一恒温腔体中。
本发明的基于平衡光脉冲的电子束到达时间测量装置，通过锁相环技术将锁模激光器锁定到低噪声微波源上，将获得更低噪声的以自由空间传输的光脉冲串，其时间稳定性几乎不受外界环境影响，可以很好地克服基于纯射频方案中的参考信号由于射频线缆而引入难以补偿的温度漂移问题；采用平衡探测器，可极大地抑制共模噪声，从而极大地提高了电子束到达时间的探测分辨率，且由于平衡探测器采用差分结构，因此输出的鉴相电压仅仅包括第四路光脉冲和第六路光脉冲叠加后得到的射频信号对光脉冲的幅度的影响，输入的光脉冲本身的幅度变化并不会体现在平衡探测器输出的鉴相电压中，可减小误差。
附图说明
图1为根据现有的第一类方案的电子束到达时间测量装置的示意图；
图2为根据现有的第二类方案的电子束到达时间测量装置的示意图；
图3为根据本发明实施例的基于平衡光脉冲的电子束到达时间测量装置的示意图；
图4为根据本发明实施例的低频微波源和锁模激光器的信号功率谱密度曲线图；
图5为根据本发明实施例的平衡探测器的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图，给出本发明的较佳实施例，并予以详细描述。
如图3所示，本发明实施例提供一种基于平衡光脉冲的电子束到达时间测量装置，包括低噪声微波源11和锁模激光器12，锁模激光器12在高偏频移段拥有极好的噪声性能，通过锁相环技术将锁模激光器12锁定到低噪声微波源11上；如图4所示，由于低噪声微波源11在低偏移频段的噪声性能要优于锁模激光器12同偏移频段的噪声性能，但是在高偏频移段则相对于锁模激光器要差，因此通过锁相环技术将锁模激光器12锁定到低噪声微波源11上后，将获得更低噪声的光脉冲串，以此作为参考基准，锁定后的锁模激光器输出的光脉冲串是以自由空间传输，其时间稳定性几乎不受外界环境影响，可以很好地克服基于纯射频方案中的参考信号由于射频线缆而引入难以补偿的温度漂移问题；沿光脉冲串传播方向依次设置有延迟线20、准直器30、环形器40、耦合器50和电光调制器60，准直器30用于将自由空间的激光耦合进光纤中，环形器40用于保证光脉冲串单向传输。
耦合器50为3*3耦合器，其两侧各设置有三个端口，即位于一侧的第一端口51、第二端口52和第三端口53以及位于另一侧的第四端口54、第五端口55和第六端口56，光脉冲串从第二端口52输入耦合器50中后分成三路，包括第一路光脉冲、第二路光脉冲和第三路光脉冲，分别从第四端口54、第五端口55和第六端口56输出，耦合器50通过第四端口54和第六端口56与电光调制器60形成光回路，第四端口54和第六端口56输出的光脉冲串相向通过电光调制器60后在耦合器50中重新合路形成合路光脉冲，具体地，第一路光脉冲通过电光调制器60后从第六端口56回到耦合器50中，第三路光脉冲通过电光调制器60后从第四端口54回到耦合器50中，然后这两路光脉冲在耦合器50中合路并形成合路光脉冲；合路光脉冲继续分成三路，包括第四路光脉冲、第五路光脉冲和第六路光脉冲，分别从第一端口51、第二端口52和第三端口53中输出。
第一端口51和第三端口53分别连接于一平衡探测器70，平衡探测器70则连接于一反馈控制器80，反馈控制器80则与延迟线20连接。
第五端口55输出的第二路光脉冲由第一光电探测器91接收，用于监测输入到电光调制器60的光脉冲功率；第二端口52输出的第五路光脉冲经过环形器40后由第二光电探测器92接收，用于监测其功率大小。也就是说，第一光电探测器91和第二光电探测器92用于本发明的装置的功率调试和运行时判断功率大小是否正常，避免电光调制器60被打坏。
由于电光调制器60有最佳的输入功率范围，过大会造成电光调制器60损坏，过小则会降低信噪比从而使分辨率变差，因此第一光探测器91和第二光探测器92用于监测装置运行过程中的光脉冲串功率，保证其始终位于最佳范围。
电光调制器60具有射频端口61，其与电子束信号耦合装置100连接，电子束信号耦合装置100根据高速运行的电子束产生一携带有电子束的到达时间信息的射频信号，其通过射频端口61输入至电光调制器60中，该射频信号将影响电光调制器60中的第一路光脉冲和第三路光脉冲的幅度，从而将电子束的到达时间信息转换到第一路光脉冲和第三路光脉冲的幅度上，然后转换到第四路光脉冲和第六路光脉冲的幅度上，最后由平衡探测器70接收，并输出鉴相电压，根据鉴相电压即可计算得到电子束到达时间。
电子束信号耦合装置100包括电子束耦合腔101、合路器102和限幅器103，合路器102分别与电子束耦合腔101的两端连接，限幅器103与合路器102连接，射频端口61与限幅器103连接。电子束耦合腔101安装在电子束的运行路径上，电子束在以接近光速的速度通过电子束耦合腔101时，电子束运行时产生的电磁场会在电子束耦合腔101的两个电极产生两个射频信号，由于这两个信号是由电子束产生的，因此均带有电子束的到达时间信息，两个射频信号通过合路器102叠加，使射频信号变大，然后通过限幅器103限制在可以输入电光调制器60的水平，得到携带有电子束到达时间信息的射频信号。
延迟线20为宽量程延迟线，设置为通过初始延时调节使光脉冲串对准到射频信号的斜率最大点以及在测量电子束到达时间的过程中根据反馈控制器80的反馈进行调节，以使光脉冲串始终在射频信号的最大斜率点，保证最高的探测精度。具体地，平衡探测器70将第四路光脉冲和第六路光脉冲的功率输出至反馈控制器80中，当第四路光脉冲和第六路光脉冲的功率均为最大时即可以判断光脉冲串处于射频信号的最大斜率点。
延迟线20为本领域的通用产品，其原理此处不再赘述。
准直器30、环形器40、耦合器50、电光调制器60、平衡探测器70、第一光电探测器91和第二光电探测器92置于一恒温腔体200中，这样可以减小温度对光脉冲的传输介质的影响，使光脉冲串在传输过程中以最小温度漂移引入，从而实现整个装置测量的长期稳定性。
如图5所示，平衡探测器70包括第三光电探测器701、第一电阻702、第一运算放大器703、第四光电探测器704、第二电阻705、第二运算放大器706、跨阻抗放大器707和第三运算放大器708，第一电阻702的一端连接电源正极，另一端连接第三光电探测器701的正极，第一运算放大器703分别连接第一电阻702的两端，第三光电探测器701的负极连接第四光电探测器704的正极，第四光电探测器704的负极连接第二电阻705的一端，第二电阻705的另一端连接电源负极，第二运算放大器706分别连接第二电阻705的两端，跨阻抗放大器707的一端连接第三光电探测器701的负极，另一端连接第三运算放大器708。第三光电探测器701具有第一输入端口71，第四光电探测器704具有第二输入端口72，第一输入端口71连接耦合器50的第一端口51，第二输入端口72连接耦合器50的第三端口53，第一运算放大器703具有第一输出端口73，用于输出第四路光脉冲的功率，第二运算放大器706具有第二输出端口74，用于输出第六路光脉冲的功率，第三运算放大器708具有第三输出端口75，用于输出鉴相电压，第一输出端口73、第二输出端口74和第三输出端口75均与反馈控制器80连接。第三光探测器701和第四光探测器704分别将第四路光脉冲和第六路光脉冲转换为电信号，并通过跨阻抗放大器进行信号放大，最终通过第三运算放大器706输出能实时反应电子束到达时间的鉴相电压。
耦合器50进入平衡探测器70中的第四路光脉冲和第六路光脉冲是带有一些共有特性(共有噪声)的，这些特性不受射频信号调制电光调制器影响，是由环境，锁模激光器，自身结构等决定的，通过将这两路光脉冲(因为带有相同的特性)在平衡探测器70相减，可以将这个共模噪声最大程度减去，以实现平衡光脉冲，从而极大地抑制了共模噪声，并极大地提高了电子束到达时间的探测分辨率，且由于平衡探测器70采用差分结构，因此输出的鉴相电压仅仅包括第四路光脉冲和第六路光脉冲叠加后得到的射频信号对光脉冲的幅度的影响，输入的光脉冲本身的幅度变化并不会体现在平衡探测器70输出的鉴相电压中，可减小误差。
下面将详细介绍本发明的测量装置的电子束到达时间与平衡探测器70的鉴相电压输出的转换过程：
锁模激光器12输出的光脉冲串可用下式表示：
其中，Pin为锁模激光器12输出的光脉冲串的功率，Pavg,in为输入第二端口52的光脉冲串的平均输入功率，TR为光脉冲串的周期，δ为冲激函数的数学表达式，t表示时间，n为整数。
经过耦合器50后，光脉冲串均分为第一路光脉冲、第二路光脉冲和第三路光脉冲，它们的功率相同，均为Pavg,in/3，合路光脉冲的功率为2Pavg,in/3，第四路光脉冲和第六路光脉冲的功率为合路光脉冲的1/3，即为2Pavg,in/9，且由于耦合器50的结构，第四路光脉冲和第六路光脉冲会有一个2π/3的相移，因此，第四路光脉冲信号可以表示为第六路光脉冲信号可以表示为/>第四路光脉冲和第六路光脉冲通过平衡探测器70差分处理后的信号可表示为其中，/>为射频信号和光脉冲串在时域上的相位差，与电光调制器60电光调制有关；此时电子束耦合腔101耦合产生的射频信号的过零点可以近似表示为其中V0为射频信号的幅度值，θe为过零点相位变动值，即电子束到达时间，Vπ为半波电压，是电光调制器60的固有参数，可直接获取；平衡探测器70差分处理后的信号可表示为同时引入第三光探测器701和第四光探测器704的响应率R和跨阻抗放大器707的放大增益G，最终得到平衡探测器70输出的鉴相电压为/>根据鉴相电压的值可反推得到电子束到达时间θe，同时也可以得到相位探测灵敏度/>相位探测灵敏度是衡量电子束到达时间测量的灵敏度，其值越大，说明测量的灵敏度越高。
本发明实施例的基于平衡光脉冲的电子束到达时间测量装置，通过锁相环技术将锁模激光器锁定到低噪声微波源11上，将获得更低噪声的以自由空间传输的光脉冲串，其时间稳定性几乎不受外界环境影响，可以很好地克服基于纯射频方案中的参考信号由于射频线缆而引入难以补偿的温度漂移问题；采用平衡探测器70，可极大地抑制共模噪声，从而极大地提高了电子束到达时间的探测分辨率，且由于平衡探测器70采用差分结构，因此输出的鉴相电压仅仅包括第四路光脉冲和第六路光脉冲叠加后得到的射频信号对光脉冲的幅度的影响，输入的光脉冲本身的幅度变化并不会体现在平衡探测器70输出的鉴相电压中，可减小误差。
以上所述的，仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围，本发明的上述实施例还可以做出各种变化。即凡是依据本发明申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本发明专利的权利要求保护范围。本发明未详尽描述的均为常规技术内容。
Claims (9)
1.一种基于平衡光脉冲的电子束到达时间测量装置，其特征在于，包括低噪声微波源和锁模激光器，所述锁模激光器锁定在所述低噪声微波源上，所述锁模激光器输出光脉冲串，沿所述光脉冲串传播方向依次设置有延迟线、准直器、环形器、耦合器和电光调制器，所述耦合器具有位于一侧的第一端口、第二端口和第三端口、以及位于另一侧的第四端口、第五端口和第六端口，所述第二端口与所述环形器连接，所述耦合器通过所述第四端口和所述第六端口与所述电光调制器形成光回路，所述第一端口和所述第三端口分别与一平衡探测器连接，所述平衡探测器与一反馈控制器连接，所述反馈控制器与所述延迟线连接，所述电光调制器还与一电子束信号耦合装置连接，所述电子束信号耦合装置向所述电光调制器输入一携带电子束时间信息的射频信号；
所述光脉冲串从所述第二端口输入所述耦合器中后分成第一路光脉冲、第二路光脉冲和第三路光脉冲，分别从所述第四端口、所述第五端口和所述第六端口输出，所述第一路光脉冲和所述第三路光脉冲相向通过所述电光调制器后在所述耦合器中重新合路形成合路光脉冲，所述合路光脉冲分成第四路光脉冲、第五路光脉冲和第六路光脉冲并分别从所述第一端口、所述第二端口和所述第三端口输出；
所述延迟线设置为通过初始延时调节使所述光脉冲串对准到所述射频信号的斜率最大点以及在测量电子束到达时间的过程中根据所述反馈控制器的反馈进行调节，以使所述光脉冲串始终在所述射频信号的最大斜率点；所述平衡探测器接收所述第四路光脉冲和所述第六路光脉冲，并将所述第四路光脉冲和所述第六路光脉冲的功率输出至所述反馈控制器，当所述第四路光脉冲和所述第六路光脉冲的功率均为最大时，所述反馈控制器判断所述光脉冲串处于所述射频信号的最大斜率点。
2.根据权利要求1所述的基于平衡光脉冲的电子束到达时间测量装置，其特征在于，所述第五端口输出的第二路光脉冲由第一光电探测器接收，所述第二端口输出的所述第五路光脉冲经过所述环形器后由第二光电探测器接收。
3.根据权利要求1所述的基于平衡光脉冲的电子束到达时间测量装置，其特征在于，所述电子束信号耦合装置包括电子束耦合腔、合路器和限幅器，所述合路器分别与所述电子束耦合腔的两端连接，所述限幅器与所述合路器连接，所述电光调制器与所述限幅器连接。
4.根据权利要求3所述的基于平衡光脉冲的电子束到达时间测量装置，其特征在于，所述电光调制器具有射频端口，所述限幅器与所述射频端口连接。
5.根据权利要求1所述的基于平衡光脉冲的电子束到达时间测量装置，其特征在于，所述延迟线设置为根据所述反馈控制器的反馈调节所述光脉冲串以使所述光脉冲串始终在所述射频信号的最大斜率点。
6.根据权利要求1所述的基于平衡光脉冲的电子束到达时间测量装置，其特征在于，所述平衡探测器包括第三光电探测器、第一电阻、第一运算放大器、第四光电探测器、第二电阻、第二运算放大器、跨阻抗放大器和第三运算放大器，第一电阻的一端连接电源正极，另一端连接第三光电探测器的正极，第一运算放大器分别连接第一电阻的两端，第三光电探测器的负极连接第四光电探测器的正极，第四光电探测器的负极连接第二电阻的一端，第二电阻的另一端连接电源负极，第二运算放大器分别连接第二电阻的两端，跨阻抗放大器的一端连接第三光电探测器的负极，另一端连接第三运算放大器。
7.根据权利要求6所述的基于平衡光脉冲的电子束到达时间测量装置，其特征在于，所述第三光电探测器具有第一输入端口，所述第四光电探测器具有第二输入端口，所述第一输入端口连接所述耦合器的所述第一端口，所述第二输入端口连接所述耦合器的所述第三端口。
8.根据权利要求7所述的基于平衡光脉冲的电子束到达时间测量装置，其特征在于，所述第一运算放大器具有第一输出端口，所述第二运算放大器具有第二输出端口，所述第三运算放大器具有第三输出端口，所述第一输出端口、所述第二输出端口和所述第三输出端口均连接于所述反馈控制器。
9.根据权利要求2所述的基于平衡光脉冲的电子束到达时间测量装置，其特征在于，所述准直器、所述环形器、所述耦合器、所述电光调制器、所述平衡探测器、所述第一光电探测器和所述第二光电探测器置于一恒温腔体中。
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