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(Twa TW=112 w)甚至是拍瓦(pw，i PW=115 w)量级，通过光学聚焦技术，其峰值功率密度可到相对论量级(1018 w/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Ka X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—3 Pa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:I)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)依次利用机械栗、分子栗、低温栗等将光学镜架所处的真空腔气压抽至10—3 Pa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10 Hz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10 μπι以内的圆形光斑，光斑最终能否聚焦至10 μπι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10 μπι，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；
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靶架、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靶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CXD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靶架的旋转、俯仰运动，控制第一、第二五维组合电动调节靶架的沿预设坐标的X轴、Y轴、Z轴运动。
[0008]作为优选:激光光斑位置调节单元包括与I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靶架的沿预设坐标的X轴、Y轴、Z轴运动;所述Sigma平移台控制器连接8个I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靶架的旋转、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。
[0009]—种基于LabVIEW的强激光打靶光路调节方法，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:
a.抽真空至10—3Pa；
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。
[0010]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。
[0011]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I维电动平移台运动，从而调节镜架姿态，改变光路
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I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。
[0012]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】
[0013]图1为本发明结构不意图；
图2为本发明电路原理图；
图3为本发明系统硬件连接原理图；
图4为CCD坐标面阵标定图；
图5为真空环境下，光斑发生偏移时，一个CCD界面图像；
图6为本发明实验流程图。
[0014]图中:1、强激光束;2、第一二维电动调节镜架;3、第一CXD;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靶架;8、第二二维电动调节镜架;9、第三CXD; 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。
【具体实施方式】
[0015]下面将结合附图对本发明作进一步说明。
[0016]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靶架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I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靶架7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视频信号采集卡连接，所述USB视频信号采集卡与工控计算机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，其中多出的一路空置，