基于LabVIEW的強(qiáng)激光打靶光路調(diào)節(jié)系統(tǒng)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種光路調(diào)節(jié)系統(tǒng)，尤其涉及一種基于LabVIEW的強(qiáng)激光打靶光路調(diào)節(jié)系統(tǒng)及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著超短超強(qiáng)飛秒激光技術(shù)的發(fā)展，超短超強(qiáng)激光裝置的峰值功率已達(dá)到太瓦(Twa TW=112 w)甚至是拍瓦(pw，i PW=115 w)量級(jí)，通過(guò)光學(xué)聚焦技術(shù)，其峰值功率密度可到相對(duì)論量級(jí)(1018 w/cm2)，這為強(qiáng)激光驅(qū)動(dòng)靶材產(chǎn)生相關(guān)的輻射源(也可稱為次級(jí)源，如特征Ka X射線源、Betatron X射線源、高能質(zhì)子源等)提供了現(xiàn)實(shí)的基礎(chǔ)。為獲得高品質(zhì)的輻射源，為保證激光能量的有效利用，絕大部分強(qiáng)激光驅(qū)動(dòng)靶材產(chǎn)生各種次級(jí)源的實(shí)驗(yàn)都是在真空環(huán)境下展開(kāi)，真空度要求在10—3 Pa甚至更高，然而，真空環(huán)境下光路的微調(diào)節(jié)占大部分時(shí)間，也是決定實(shí)驗(yàn)成功與否的關(guān)鍵因素之一，因此，在真空環(huán)境下光路的穩(wěn)定及微調(diào)節(jié)至關(guān)重要。
[0003]目前，最為常用的強(qiáng)激光打靶光路調(diào)節(jié)的方法分為以下過(guò)程:I)將光學(xué)鏡架安裝在電動(dòng)位移臺(tái)上，在大氣環(huán)境下完成調(diào)節(jié);2)用反光板做一個(gè)十字標(biāo)志，調(diào)節(jié)至光斑打在反光板十字標(biāo)志的中心點(diǎn)，此點(diǎn)即為光斑位置定位點(diǎn)；3)依次利用機(jī)械栗、分子栗、低溫栗等將光學(xué)鏡架所處的真空腔氣壓抽至10—3 Pa左右;4)通過(guò)人眼直接觀察或者CCD圖像顯示后人眼觀察光斑在反光板十字標(biāo)志的位置，通過(guò)手動(dòng)點(diǎn)動(dòng)按鈕(點(diǎn)動(dòng)按鈕是廠家配的平臺(tái)控制手柄)調(diào)節(jié)電動(dòng)位移臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)光路指向的微調(diào)。這種方法存在以下不足:1)抽真空之后，由于激光傳播介質(zhì)折射率的改變而導(dǎo)致光路偏移，真空下無(wú)法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控調(diào)節(jié)平移臺(tái)校正光路;2)采用點(diǎn)動(dòng)按鈕控制，對(duì)于移動(dòng)指定位移量操作費(fèi)時(shí)，另外，即便是開(kāi)發(fā)者給的配套軟件也只能控制一臺(tái)特定維數(shù)平移臺(tái)，功能單一且操作不便，不能滿足復(fù)雜系統(tǒng)的使用要求;3)通過(guò)人眼來(lái)判斷光斑在反光板的位置來(lái)定位光斑是否偏移，存在人眼誤差，并且激光的重復(fù)頻率是10 Hz或者更低，人眼觀察存在難度;4)高精度平移臺(tái)一般都是進(jìn)口設(shè)備，屬于通用設(shè)備，操作方式單一且功能不完善，不能滿足指定的復(fù)雜環(huán)境使用要求;5)針對(duì)于強(qiáng)激光實(shí)驗(yàn)，光路復(fù)雜，調(diào)節(jié)維數(shù)多，控制難度大，界面復(fù)雜，配套軟件不能滿足要求。
[0004]另外，本發(fā)明的后續(xù)工作是強(qiáng)激光打靶產(chǎn)生X射線源，需要將直徑為30mm的圓形光斑聚焦為直徑10 μπι以內(nèi)的圓形光斑，光斑最終能否聚焦至10 μπι以內(nèi)，光路的穩(wěn)定與否至關(guān)重要，因?yàn)楣饴穼?duì)OAP影響很大，如果光路偏移，光斑經(jīng)OAP后聚焦不到10 μπι，或者光斑的形狀不是圓形，光斑偏大和光斑形狀不好，最終光斑作用在靶材表面的功率密度大小也不一樣，物理現(xiàn)象就會(huì)有很大差異。
[0005]經(jīng)檢索，國(guó)內(nèi)目前沒(méi)有采用基于LabVIEW的激光打靶光路調(diào)節(jié)的相關(guān)專利，主要原因在于實(shí)驗(yàn)人員難以將不同型號(hào)和不同通信協(xié)議的控制器結(jié)合匹配、計(jì)算機(jī)多通信接口的控制存在資源競(jìng)爭(zhēng)問(wèn)題、多線程并行運(yùn)行機(jī)制應(yīng)用等技術(shù)難度大，暫時(shí)沒(méi)有可以借鑒的方法將十幾維度平移臺(tái)集成在同一軟件內(nèi)實(shí)時(shí)監(jiān)控和調(diào)節(jié)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的就在于提供一種解決上述問(wèn)題，能有效保證光路穩(wěn)定、可以實(shí)現(xiàn)真空環(huán)境下光路的穩(wěn)定及微調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)精度高、速度快、調(diào)節(jié)方式簡(jiǎn)單、控制難度低、界面簡(jiǎn)單的一種強(qiáng)激光打靶光路調(diào)節(jié)系統(tǒng)。
[0007]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下:一種基于LabVIEW的強(qiáng)激光打靶光路調(diào)節(jié)系統(tǒng)，包括真空腔體、基于LabVIEW開(kāi)發(fā)平臺(tái)的工控計(jì)算機(jī)、與工控計(jì)算機(jī)連接的激光光斑采集單元和激光光斑位置調(diào)節(jié)單元；
所述真空腔體內(nèi)設(shè)有帶有反射鏡的第一二維電動(dòng)調(diào)節(jié)鏡架、二維手動(dòng)調(diào)節(jié)鏡架、分別設(shè)置有離軸拋物面鏡和靶材的第一五維組合電動(dòng)調(diào)節(jié)鏡架、第二五維組合電動(dòng)調(diào)節(jié)靶架、設(shè)有物鏡頭的第二二維電動(dòng)調(diào)節(jié)鏡架，入射的強(qiáng)激光束依次經(jīng)第一二維電動(dòng)調(diào)節(jié)鏡架、二維手動(dòng)調(diào)節(jié)鏡架上的反射鏡第一五維組合電動(dòng)調(diào)節(jié)鏡架上的離軸拋物面鏡、第二五維組合電動(dòng)調(diào)節(jié)靶架上的靶材后至物鏡頭上；
所述激光光斑采集單元包括3路真空CXD攝像頭、分別為第一、第二、第三CCD;所述真空CCD攝像頭通過(guò)攝像頭真空轉(zhuǎn)接頭與USB視頻信號(hào)采集卡連接，所述USB視頻信號(hào)采集卡與工控計(jì)算機(jī)的USB端口相連;其中，真空CCD攝像頭位于真空腔體中，第一、第二CCD分別位于第一二維電動(dòng)調(diào)節(jié)鏡架、二維手動(dòng)調(diào)節(jié)鏡架后、入射激光束的延長(zhǎng)線方向上，第三CCD位于物鏡頭正后方；
所述激光光斑位置調(diào)節(jié)單元控制第一、第二二維電動(dòng)調(diào)節(jié)鏡架、第一、第二五維組合電動(dòng)調(diào)節(jié)靶架的旋轉(zhuǎn)、俯仰運(yùn)動(dòng)，控制第一、第二五維組合電動(dòng)調(diào)節(jié)靶架的沿預(yù)設(shè)坐標(biāo)的X軸、Y軸、Z軸運(yùn)動(dòng)。
[0008]作為優(yōu)選:激光光斑位置調(diào)節(jié)單元包括與I臺(tái)與工控計(jì)算機(jī)通過(guò)以太網(wǎng)通信的8維Newport平移臺(tái)控制器、2臺(tái)與工控計(jì)算機(jī)通過(guò)USB-RS232端口通信的Sigma平移臺(tái)控制器；所述8維Newport平移臺(tái)控制器連接至少2個(gè)3維Newport電動(dòng)平移臺(tái)，控制第一、第二五維組合電動(dòng)調(diào)節(jié)靶架的沿預(yù)設(shè)坐標(biāo)的X軸、Y軸、Z軸運(yùn)動(dòng);所述Sigma平移臺(tái)控制器連接8個(gè)I維Sigma電動(dòng)平移臺(tái)，控制第一、第二二維電動(dòng)調(diào)節(jié)鏡架、第一、第二五維組合電動(dòng)調(diào)節(jié)靶架的旋轉(zhuǎn)、俯仰運(yùn)動(dòng)，電動(dòng)平移臺(tái)與對(duì)應(yīng)的鏡架間設(shè)有控制信號(hào)線真空轉(zhuǎn)接頭。
[0009]—種基于LabVIEW的強(qiáng)激光打靶光路調(diào)節(jié)方法，包括以下步驟，
1)建立強(qiáng)激光打靶光路調(diào)節(jié)系統(tǒng)；
2)大氣環(huán)境下對(duì)光路進(jìn)行定標(biāo)，包括以下步驟:
a.啟動(dòng)真空CCD攝像頭，打開(kāi)其面陣坐標(biāo)界面，其中CCD攝像頭的面陣坐標(biāo)界面由光心、X軸、Y軸、Z軸構(gòu)成，其中光心為CCD攝像頭的中心，X軸、Y軸與入射光斑圖像的X軸、Y軸平行，Z軸與圖像平面垂直；
b.啟動(dòng)強(qiáng)激光光源；
c.大氣環(huán)境下調(diào)整光路，使激光束的光斑在第三CCD面上呈現(xiàn)為明顯的圓形光斑；
d.定標(biāo):分別依次移動(dòng)調(diào)整第一、第二、第三CCD，使光斑均位于各CCD面陣中心位置，將CCD的面陣坐標(biāo)界面與光斑位置對(duì)應(yīng)；
e.固定真空CCD攝像頭，存儲(chǔ)光斑對(duì)應(yīng)在各CCD面陣上的坐標(biāo)位置，并記錄保存CCD界面圖像、各電動(dòng)平移臺(tái)位置數(shù)據(jù)； 3)真空環(huán)境下光路的調(diào)節(jié)，包括以下步驟:
a.抽真空至10—3Pa；
b.實(shí)時(shí)采集光斑位置，分析并顯示，將分析的位置信息分解為各平移臺(tái)控制器的位移差;
c.根據(jù)各平移臺(tái)控制器的位移差調(diào)節(jié)光路；
d.重復(fù)步驟b、c，直至調(diào)整后的光斑位置與定標(biāo)的光斑位置重疊。
[0010]作為優(yōu)選:步驟3)的b中，具體為，USB視頻信號(hào)采集卡讀取CCD面陣上光斑坐標(biāo)并通過(guò)USB發(fā)送給工控計(jì)算機(jī)，工控計(jì)算機(jī)處理采集到的視頻文件，將光斑位置對(duì)應(yīng)到已標(biāo)定的坐標(biāo)系中的，分析坐標(biāo)位置和標(biāo)定位置的位移差，將其分解為鏡架的具體運(yùn)動(dòng)控制命令，并最終分解為各平移臺(tái)控制器的位移差。
[0011]作為優(yōu)選:步驟3)的c中，具體為，將控制命令發(fā)送給平移臺(tái)控制器，控制對(duì)應(yīng)的I維電動(dòng)平移臺(tái)運(yùn)動(dòng)，從而調(diào)節(jié)鏡架姿態(tài)，改變光路
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于:本發(fā)明應(yīng)用激光光斑映射在CCD的空間位置來(lái)確定光路位置，利用LabVIEW開(kāi)發(fā)多線程并行運(yùn)行機(jī)制，將不同型號(hào)、多通訊方式的多控制器軟件集于一體開(kāi)發(fā)，通過(guò)TCP/IP、USB-RS232通信方式，分別控制I臺(tái)Newport電動(dòng)平移臺(tái)控制器、2臺(tái)Sigma電動(dòng)平移臺(tái)控制器，實(shí)現(xiàn)真空環(huán)境下激光光路的精密微調(diào)。激光實(shí)驗(yàn)科研人員可直接利用該系統(tǒng)方便快捷地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)光路優(yōu)化調(diào)節(jié)，減少了實(shí)驗(yàn)研究中光路調(diào)節(jié)的工作量，節(jié)省了大量的人力物力。
[0012]本發(fā)明建立了一種基于LabVIEW的強(qiáng)激光打靶光路調(diào)節(jié)系統(tǒng)及調(diào)節(jié)方法，在其中設(shè)置布設(shè)各個(gè)特定功能的可調(diào)節(jié)的鏡架，通過(guò)對(duì)鏡架的調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)光路的調(diào)整，同時(shí)為了滿足調(diào)整精度需求，采用不同精度的電動(dòng)平移臺(tái)，控制鏡架在多個(gè)維度上的調(diào)節(jié)。另采用大氣環(huán)境下定標(biāo)、真空環(huán)境下調(diào)整的方法，結(jié)合軟件，實(shí)現(xiàn)光路的精密、簡(jiǎn)單調(diào)節(jié)，保證了光路的穩(wěn)定性。
【附圖說(shuō)明】
[0013]圖1為本發(fā)明結(jié)構(gòu)不意圖；
圖2為本發(fā)明電路原理圖；
圖3為本發(fā)明系統(tǒng)硬件連接原理圖；
圖4為CCD坐標(biāo)面陣標(biāo)定圖；
圖5為真空環(huán)境下，光斑發(fā)生偏移時(shí)，一個(gè)CCD界面圖像；
圖6為本發(fā)明實(shí)驗(yàn)流程圖。
[0014]圖中:1、強(qiáng)激光束;2、第一二維電動(dòng)調(diào)節(jié)鏡架;3、第一CXD;4、二維手動(dòng)調(diào)節(jié)鏡架；
5、第二 CCD;6、第一五維組合電動(dòng)調(diào)節(jié)鏡架;7、第二五維組合電動(dòng)調(diào)節(jié)靶架;8、第二二維電動(dòng)調(diào)節(jié)鏡架;9、第三CXD; 10、控制信號(hào)線真空轉(zhuǎn)接頭；11、攝像頭真空轉(zhuǎn)接頭；12、Sigma平移臺(tái)控制器;13、8維Newport平移臺(tái)控制器;14、真空腔體;15、工控計(jì)算機(jī)。
【具體實(shí)施方式】
[0015]下面將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。
[0016]實(shí)施例1:參見(jiàn)圖1到圖6，一種基于LabVIEW的強(qiáng)激光打靶光路調(diào)節(jié)系統(tǒng)，包括真空腔體14、基于LabVIEW開(kāi)發(fā)平臺(tái)的工控計(jì)算機(jī)15、與工控計(jì)算機(jī)15連接的激光光斑采集單元和激光光斑位置調(diào)節(jié)單元;所述真空腔體14內(nèi)設(shè)有帶有反射鏡的第一二維電動(dòng)調(diào)節(jié)鏡架2、二維手動(dòng)調(diào)節(jié)鏡架4、分別設(shè)置有離軸拋物面鏡和靶材的第一五維組合電動(dòng)調(diào)節(jié)鏡架6、第二五維組合電動(dòng)調(diào)節(jié)靶架7、設(shè)有物鏡頭的第二二維電動(dòng)調(diào)節(jié)鏡架8，入射的強(qiáng)激光束I依次經(jīng)第一二維電動(dòng)調(diào)節(jié)鏡架2、二維手動(dòng)調(diào)節(jié)鏡架4上的反射鏡第一五維組合電動(dòng)調(diào)節(jié)鏡架6上的離軸拋物面鏡、第二五維組合電動(dòng)調(diào)節(jié)靶架7上的靶材后至物鏡頭上；
所述激光光斑采集單元包括3路真空CCD攝像頭，分別為第一CCD3、第二CCD5、第三CCD9;所述真空CCD攝像頭通過(guò)攝像頭真空轉(zhuǎn)接頭11與USB視頻信號(hào)采集卡連接，所述USB視頻信號(hào)采集卡與工控計(jì)算機(jī)15的USB端口相連;其中，真空CCD攝像頭位于真空腔體14中，第一 CCD3、第二 CCD5分別位于第一二維電動(dòng)調(diào)節(jié)鏡架2、二維手動(dòng)調(diào)節(jié)鏡架4后、入射激光束的延長(zhǎng)線方向上，第三CCD9位于物鏡頭正后方;本實(shí)施例中，我們選用4路真空CCD攝像頭和4路USB視頻信號(hào)采集卡，其中多出的一路空置，