基于LabVIEW的强激光打靶光路调节系统及方法

摘要

本发明公开了一种基于LabVIEW的强激光打靶光路调节系统及调节方法，包括真空腔体、基于LabVIEW开发平台的工控计算机、与工控计算机连接的激光光斑采集单元和激光光斑位置调节单元；本发明的工控计算机包括基于LabVIEW开发的全新光路监控和光路调节的人机交互界面，应用激光光斑映射在CCD的空间位置来确定光路位置，利用LabVIEW开发多线程并行运行机制，将不同型号、不同通讯方式的多控制器软件集于一体开发，实现真空环境下激光光路的精密微调。激光实验科研人员可直接利用该系统方便快捷地进行实验光路优化调节，减少了实验研究中光路调节的工作量，节省了大量的人力物力。

权利要求

1.一种基于LabVIEW的强激光打靶光路调节系统，其特征在于：包括真空腔体、基于LabVIEW开发平台的工控计算机、与工控计算机连接的激光光斑采集单元和激光光斑位置调节单元；

所述真空腔体内设有带有反射镜的第一二维电动调节镜架、二维手动调节镜架、分别设置有离轴抛物面镜和靶材的第一五维组合电动调节镜架、第二五维组合电动调节镜架、设有物镜头的第二二维电动调节镜架，入射的强激光束依次经第一二维电动调节镜架、二维手动调节镜架上的反射镜、第一五维组合电动调节镜架上的离轴抛物面镜、第二五维组合电动调节镜架上的靶材后至物镜头上；

所述激光光斑采集单元包括3路真空CCD摄像头、分别为第一、第二、第三CCD；所述真空CCD摄像头通过摄像头真空转接头与USB视频信号采集卡连接，所述USB视频信号采集卡与工控计算机的USB端口相连；其中，真空CCD摄像头位于真空腔体中，第一、第二CCD分别位于第一二维电动调节镜架、二维手动调节镜架后、入射激光束的延长线方向上，第三CCD位于物镜头正后方；

所述激光光斑位置调节单元控制第一、第二二维电动调节镜架、第一、第二五维组合电动调节镜架的旋转、俯仰运动，控制第一、第二五维组合电动调节镜架的沿预设坐标的X轴、Y轴、Z轴运动。

2.根据权利要求1所述的基于LabVIEW的强激光打靶光路调节系统，其特征在于：激光光斑位置调节单元包括与1台与工控计算机通过以太网通信的8维Newport平移台控制器、2台与工控计算机通过USB-RS232端口通信的Sigma平移台控制器；所述8维Newport平移台控制器连接至少2个3维Newport电动平移台，控制第一、第二五维组合电动调节镜架的沿预设坐标的X轴、Y轴、Z轴运动；所述Sigma平移台控制器连接8个1维Sigma电动平移台，控制第一、第二二维电动调节镜架、第一、第二五维组合电动调节镜架的旋转、俯仰运动，电动平移台与对应的镜架间设有控制信号线真空转接头。

3.一种基于LabVIEW的强激光打靶光路调节方法，其特征在于：包括以下步骤，

1）建立强激光打靶光路调节系统；

2）大气环境下对光路进行定标，包括以下步骤：

a. 启动真空CCD摄像头，打开其面阵坐标界面，其中CCD摄像头的面阵坐标界面由光心、X轴、Y轴、Z轴构成，其中光心为CCD摄像头的中心，X轴、Y轴与入射光斑图像的X轴、Y轴平行，Z轴与图像平面垂直；

b. 启动强激光光源；

c. 大气环境下调整光路，使激光束的光斑在第三CCD面上呈现为明显的圆形光斑；

d. 定标：分别依次移动调整第一、第二、第三CCD，使光斑均位于各CCD面阵中心位置，将CCD的面阵坐标界面与光斑位置对应；

e. 固定真空CCD摄像头，存储光斑对应在各CCD面阵上的坐标位置，并记录保存CCD界面图像、各电动平移台位置数据；

3）真空环境下光路的调节，包括以下步骤：

-3

a. 抽真空至10  Pa；

b. 实时采集光斑位置，分析并显示，将分析的位置信息分解为各平移台控制器的位移差；

c. 根据各平移台控制器的位移差调节光路；

d. 重复步骤b、c，直至调整后的光斑位置与定标的光斑位置重叠。

4.根据权利要求3所述的基于LabVIEW的强激光打靶光路调节方法，其特征在于：步骤

3）的b中，具体为，USB视频信号采集卡读取CCD面阵上光斑坐标并通过USB发送给工控计算机，工控计算机处理采集到的视频文件，将光斑位置对应到已标定的坐标系中的，分析坐标位置和标定位置的位移差，将其分解为镜架的具体运动控制命令，并最终分解为各平移台控制器的位移差。

5.根据权利要求3所述的基于LabVIEW的强激光打靶光路调节方法，其特征在于：步骤

3）的c中，具体为，将控制命令发送给平移台控制器，控制对应的1维电动平移台运动，从而调节镜架姿态，改变光路。

说明书

基于LabVIEW的强激光打靶光路调节系统及方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种光路调节系统，尤其涉及一种基于LabVIEW的强激光打靶光路调节系统及方法。

背景技术

[0002] 随着超短超强飞秒激光技术的发展，超短超强激光装置的峰值功率已达到太瓦(TW，1TW＝1012W)甚至是拍瓦(PW，1PW＝1015W)量级，通过光学聚焦技术，其峰值功率密度可到相对论量级(1018W/cm2)，这为强激光驱动靶材产生相关的辐射源(也可称为次级源，如特征KαX射线源、Betatron X射线源、高能质子源等)提供了现实的基础。为获得高品质的辐射源，为保证激光能量的有效利用，绝大部分强激光驱动靶材产生各种次级源的实验都是在真空环境下展开，真空度要求在10-3Pa甚至更高，然而，真空环境下光路的微调节占大部分时间，也是决定实验成功与否的关键因素之一，因此，在真空环境下光路的稳定及微调节至关重要。

[0003] 目前，最为常用的强激光打靶光路调节的方法分为以下过程：1)将光学镜架安装在电动位移台上，在大气环境下完成调节；2)用反光板做一个十字标志，调节至光斑打在反光板十字标志的中心点，此点即为光斑位置定位点；3)依次利用机械泵、分子泵、低温泵等将光学镜架所处的真空腔气压抽至10-3Pa左右；4)通过人眼直接观察或者CCD图像显示后人眼观察光斑在反光板十字标志的位置，通过手动点动按钮(点动按钮是厂家配的平台控制手柄)调节电动位移台，实现对光路指向的微调。这种方法存在以下不足：1)抽真空之后，由于激光传播介质折射率的改变而导致光路偏移，真空下无法实现实时监控调节平移台校正光路；2)采用点动按钮控制，对于移动指定位移量操作费时，另外，即便是开发者给的配套软件也只能控制一台特定维数平移台，功能单一且操作不便，不能满足复杂系统的使用要求；3)通过人眼来判断光斑在反光板的位置来定位光斑是否偏移，存在人眼误差，并且激光的重复频率是10Hz或者更低，人眼观察存在难度；4)高精度平移台一般都是进口设备，属于通用设备，操作方式单一且功能不完善，不能满足指定的复杂环境使用要求；5)针对于强激光实验，光路复杂，调节维数多，控制难度大，界面复杂，配套软件不能满足要求。

[0004] 另外，本发明的后续工作是强激光打靶产生X射线源，需要将直径为30mm的圆形光斑聚焦为直径10μm以内的圆形光斑，光斑最终能否聚焦至10μm以内，光路的稳定与否至关重要，因为光路对OAP影响很大，如果光路偏移，光斑经OAP后聚焦不到10μm，或者光斑的形状不是圆形，光斑偏大和光斑形状不好，最终光斑作用在靶材表面的功率密度大小也不一样，物理现象就会有很大差异。

[0005] 经检索，国内目前没有采用基于LabVIEW的激光打靶光路调节的相关专利，主要原因在于实验人员难以将不同型号和不同通信协议的控制器结合匹配、计算机多通信接口的控制存在资源竞争问题、多线程并行运行机制应用等技术难度大，暂时没有可以借鉴的方法将十几维度平移台集成在同一软件内实时监控和调节。

发明内容

[0006] 本发明的目的就在于提供一种解决上述问题，能有效保证光路稳定、可以实现真空环境下光路的稳定及微调节，调节精度高、速度快、调节方式简单、控制难度低、界面简单的一种强激光打靶光路调节系统。

[0007] 为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：一种基于LabVIEW的强激光打靶光路调节系统，包括真空腔体、基于LabVIEW开发平台的工控计算机、与工控计算机连接的激光光斑采集单元和激光光斑位置调节单元；

[0008] 所述真空腔体内设有带有反射镜的第一二维电动调节镜架、二维手动调节镜架、分别设置有离轴抛物面镜和靶材的第一五维组合电动调节镜架、第二五维组合电动调节镜架、设有物镜头的第二二维电动调节镜架，入射的强激光束依次经第一二维电动调节镜架、二维手动调节镜架上的反射镜、第一五维组合电动调节镜架上的离轴抛物面镜、第二五维组合电动调节镜架上的靶材后至物镜头上；

[0009] 所述激光光斑采集单元包括3路真空CCD摄像头、分别为第一、第二、第三CCD；所述真空CCD摄像头通过摄像头真空转接头与USB视频信号采集卡连接，所述USB视频信号采集卡与工控计算机的USB端口相连；其中，真空CCD摄像头位于真空腔体中，第一、第二CCD分别位于第一二维电动调节镜架、二维手动调节镜架后、入射激光束的延长线方向上，第三CCD位于物镜头正后方；

[0010] 所述激光光斑位置调节单元控制第一、第二二维电动调节镜架、第一、第二五维组合电动调节镜架的旋转、俯仰运动，控制第一、第二五维组合电动调节镜架的沿预设坐标的X轴、Y轴、Z轴运动。

[0011] 作为优选：激光光斑位置调节单元包括与1台与工控计算机通过以太网通信的8维Newport平移台控制器、2台与工控计算机通过USB-RS232端口通信的Sigma平移台控制器；所述8维Newport平移台控制器连接至少2个3维Newport电动平移台，控制第一、第二五维组合电动调节镜架的沿预设坐标的X轴、Y轴、Z轴运动；所述Sigma平移台控制器连接8个1维Sigma电动平移台，控制第一、第二二维电动调节镜架、第一、第二五维组合电动调节镜架的旋转、俯仰运动，电动平移台与对应的镜架间设有控制信号线真空转接头。

[0012] 一种基于LabVIEW的强激光打靶光路调节方法，包括以下步骤，

[0013] 1)建立强激光打靶光路调节系统；

[0014] 2)大气环境下对光路进行定标，包括以下步骤：

[0015] a.启动真空CCD摄像头，打开其面阵坐标界面，其中CCD摄像头的面阵坐标界面由光心、X轴、Y轴、Z轴构成，其中光心为CCD摄像头的中心，X轴、Y轴与入射光斑图像的X轴、Y轴平行，Z轴与图像平面垂直；

[0016] b.启动强激光光源；

[0017] c.大气环境下调整光路，使激光束的光斑在第三CCD面上呈现为明显的圆形光斑；

[0018] d.定标：分别依次移动调整第一、第二、第三CCD，使光斑均位于各CCD面阵中心位置，将CCD的面阵坐标界面与光斑位置对应；

[0019] e.固定真空CCD摄像头，存储光斑对应在各CCD面阵上的坐标位置，并记录保存CCD界面图像、各电动平移台位置数据；

[0020] 3)真空环境下光路的调节，包括以下步骤：

[0021] a.抽真空至10-3Pa；

[0022] b.实时采集光斑位置，分析并显示，将分析的位置信息分解为各平移台控制器的位移差；

[0023] c.根据各平移台控制器的位移差调节光路；

[0024] d.重复步骤b、c，直至调整后的光斑位置与定标的光斑位置重叠。

[0025] 作为优选：步骤3)的b中，具体为，USB视频信号采集卡读取CCD面阵上光斑坐标并通过USB发送给工控计算机，工控计算机处理采集到的视频文件，将光斑位置对应到已标定的坐标系中的，分析坐标位置和标定位置的位移差，将其分解为镜架的具体运动控制命令，并最终分解为各平移台控制器的位移差。

[0026] 作为优选：步骤3)的c中，具体为，将控制命令发送给平移台控制器，控制对应的1维电动平移台运动，从而调节镜架姿态，改变光路

[0027] 与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明应用激光光斑映射在CCD的空间位置来确定光路位置，利用LabVIEW开发多线程并行运行机制，将不同型号、多通讯方式的多控制器软件集于一体开发，通过TCP/IP、USB-RS232通信方式，分别控制1台Newport电动平移台控制器、2台Sigma电动平移台控制器，实现真空环境下激光光路的精密微调。激光实验科研人员可直接利用该系统方便快捷地进行实验光路优化调节，减少了实验研究中光路调节的工作量，节省了大量的人力物力。

[0028] 本发明建立了一种基于LabVIEW的强激光打靶光路调节系统及调节方法，在其中设置布设各个特定功能的可调节的镜架，通过对镜架的调整，从而实现对光路的调整，同时为了满足调整精度需求，采用不同精度的电动平移台，控制镜架在多个维度上的调节。另采用大气环境下定标、真空环境下调整的方法，结合软件，实现光路的精密、简单调节，保证了光路的稳定性。

附图说明

[0029] 图1为本发明结构示意图；

[0030] 图2为本发明电路原理图；

[0031] 图3为本发明系统硬件连接原理图；

[0032] 图4为CCD坐标面阵标定图；

[0033] 图5为真空环境下，光斑发生偏移时，一个CCD界面图像；

[0034] 图6为本发明实验流程图。

[0035] 图中：1、强激光束；2、第一二维电动调节镜架；3、第一CCD；4、二维手动调节镜架；5、第二CCD；6、第一五维组合电动调节镜架；7、第二五维组合电动调节镜架；8、第二二维电动调节镜架；9、第三CCD；10、控制信号线真空转接头；11、摄像头真空转接头；12、Sigma平移台控制器；13、8维Newport平移台控制器；14、真空腔体；15、工控计算机；16、USB视频信号采集卡。

具体实施方式

[0036] 下面将结合附图对本发明作进一步说明。

[0037] 实施例1：参见图1到图6，一种基于LabVIEW的强激光打靶光路调节系统，包括真空腔体14、基于LabVIEW开发平台的工控计算机15、与工控计算机15连接的激光光斑采集单元和激光光斑位置调节单元；所述真空腔体14内设有带有反射镜的第一二维电动调节镜架2、二维手动调节镜架4、分别设置有离轴抛物面镜和靶材的第一五维组合电动调节镜架6、第二五维组合电动调节镜架7、设有物镜头的第二二维电动调节镜架8，入射的强激光束1依次经第一二维电动调节镜架2、二维手动调节镜架4上的反射镜、第一五维组合电动调节镜架6上的离轴抛物面镜、第二五维组合电动调节镜架7上的靶材后至物镜头上；

[0038] 所述激光光斑采集单元包括3路真空CCD摄像头，分别为第一CCD3、第二CCD5、第三CCD9；所述真空CCD摄像头通过摄像头真空转接头11与USB视频信号采集卡16连接，所述USB视频信号采集卡16与工控计算机15的USB端口相连；其中，真空CCD摄像头位于真空腔体14中，第一CCD3、第二CCD5分别位于第一二维电动调节镜架2、二维手动调节镜架4后、入射激光束的延长线方向上，第三CCD9位于物镜头正后方；本实施例中，我们选用4路真空CCD摄像头和4路USB视频信号采集卡16，其中多出的一路空置，作为备用；

[0039] 所述激光光斑位置调节单元包括与1台与工控计算机15通过以太网通信的8维Newport平移台控制器13、2台与工控计算机15通过USB-RS232端口通信的Sigma平移台控制器12；所述8维Newport平移台控制器13连接至少6个1维Newport电动平移台，控制第一、第二五维组合电动调节镜架7的沿预设坐标的X轴、Y轴、Z轴运动；所述Sigma平移台控制器12连接8个1维Sigma电动平移台，控制第一二维电动调节镜架2、第二二维电动调节镜架8、第一五维组合电动调节镜架6、第二五维组合电动调节镜架7的旋转、俯仰运动。

[0040] 综上可以看出，二维调节的镜架，只需要完成旋转、俯仰的运动，精度要求低，采用Sigma平移台控制器12和Sigma电动平移台即可实现；

[0041] 但对于五维调节的镜架，首先和二维调节的镜架相同，需要连接Sigma平移台控制器12和Sigma电动平移台来实现精度稍低的旋转、俯仰运动；其次，还需要通过连接Newport电动平移台，来实现镜架的沿预设坐标的X轴、Y轴、Z轴运动。在这里，预设坐标，指的是对应的CCD摄像头的面阵坐标，由光心、X轴、Y轴、Z轴构成，其中光心为CCD摄像头的中心，X轴、Y轴与入射光斑图像的X轴、Y轴平行，Z轴与图像平面垂直。

[0042] 另外，本系统中，真空CCD摄像头均通过真空转接头与USB视频信号采集卡16连接，电动平移台与对应的镜架间设有控制信号线真空转接头10。

[0043] 对镜架的调整，其最终目的是使强激光束1的光路，可以依次经第一二维电动调节镜架2、二维手动调节镜架4、第一五维组合电动调节镜架6、第二五维组合电动调节镜架7、第二二维电动调节镜架8最终落在第三CCD9上。为实验提供基础条件。

[0044] 一种基于LabVIEW的强激光打靶光路调节系统及调节方法，包括以下步骤：

[0045] 1)根据上述结构，建立一种基于LabVIEW的强激光打靶光路调节系统。其中，工控计算机15是基于LabVIEW开发平台的，利用LabVIEW开发的控制软件；

[0046] 2)大气环境下对光路进行定标，包括以下步骤：

[0047] a.启动真空CCD摄像头，打开其面阵坐标界面，其中CCD摄像头的面阵坐标界面由光心、X轴、Y轴、Z轴构成，其中光心为CCD摄像头的中心O，X轴、Y轴与入射光斑图像的X轴、Y轴平行，Z轴与图像平面垂直；

[0048] 关于CCD摄像头面阵坐标的标定，由于CCD摄像头可安装在环境中的任何位置，但系统光路的位置确定，因此用系统光路作为基准坐标系，来描述CCD摄像头的位置，并用它描述环境中光斑的位置；

[0049] b.启动强激光光源；

[0050] c.大气环境下调整光路，使激光束的光斑在第三CCD9面上呈现为明显的圆形光斑；在这里，还未抽真空，所以大气环境下，对各个镜架进行调整，可以手动、电动调整，只要保证第三CCD9面上有明显的圆形光斑即可；

[0051] d.定标：分别依次移动调整第一CCD3、第二CCD5、第三CCD9，使光斑均位于各CCD面阵中心位置，将CCD的面阵坐标界面与光斑位置对应；具体方法是，先调整第一CCD3，使光斑位于其面阵中心位置，然后调整第二CCD5，使光斑位于其面阵中心位置，最后调整第三CCD9，使光斑位于其面阵中心位置；参见图4，光斑为P；

[0052] e.为了避免真空CCD摄像头发生移动、偏移等情况影响实验数据，固定真空CCD摄像头，存储光斑对应在各CCD面阵上的坐标位置，并记录保存CCD界面图像、以及各电动平移台位置数据；参见图4，圆心处的圆圈，即为光斑，光斑的坐标，通过LabVIEW软件进行计算；

[0053] 3)真空环境下光路的调节，包括以下步骤：

[0054] a.此时将真空腔体14密闭，抽真空至10-3Pa；

[0055] b.实时采集光斑位置，分析并显示，将分析的位置信息分解为各平移台控制器的位移差；具体为，USB视频信号采集卡16读取CCD面阵上光斑坐标，并通过USB端口发送给工控计算机15，工控计算机15处理采集到的视频文件，将光斑位置对应到已标定的坐标系中的，软件分析坐标位置和标定位置的位移差，通过软件计算，将其分解为镜架的具体运动控制命令，并最终分解为各平移台控制器的位移差；

[0056] c.根据各平移台控制器的位移差调节光路；具体为，将各平移台控制器的位移差反馈到光斑位置调节单元中，也就是将位移差作为控制命令发送给平移台控制器，控制对应的1维电动平移台运动，从而实现调节镜架沿预设的X轴、Y轴、Z轴运动，以及镜架旋转、俯仰等，使光路发生变化；这个控制可以是通过软件自动控制完成，也可以是用户根据显示的位移差并结合经验，手动为工控计算机15输入调节的位移数据，再由工控计算机15控制执行；

[0057] d.由于光路的调节过程是一个循环的过程，所以重复步骤b、c，直至调整后的光斑位置与定标的光斑位置重叠。

[0058] 光路调整完成后，即可进行下一步的实验，实验结束后，充气至标准大气压即可。

[0059] 由于激光传播介质折射率的变化，抽真空后光路偏移，本发明的作用就是在真空环境下光路偏移自动调节，最终光斑位置和原标定位置一致。同时系统在初次搭建时过程复杂，当实验光路完成搭建，标定完成后，实验光路的操作变得非常简单，系统自动调节，每次只需更换实验靶材，然后启动系统，系统就会自己完成光路调节。

[0060] 总之，通过本发明，无论在大气环境还是真空环境，强激光实验光路的调节变得简易且稳定可重复。