CN105261925A - Hcn激光干涉仪功率的自动控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种HCN激光干涉仪功率的自动控制系统，包括检测器，以及电动平台，检测器输出信号通过信号线传送至一个CPU224XP，CPU224XP通过定位模块EM253与电动平台的驱动电路连接，CPU224XP还通过以太网通讯模块CP243-1与上位机通讯连接。本发明系统能自动控制HCN激光干涉仪的功率，无须实验人员在EAST实验期间（聚变实验不易进入）进入试验大厅调节功率，且工作稳定可靠。

Description

HCN激光干涉仪功率的自动控制系统

技术领域

本发明涉及激光干涉仪控制系统领域，具体是一种HCN激光干涉仪功率的自动控制系统。

背景技术

远红外激光干涉仪已经广泛的用于托卡马克装置上检测等离子密度，而在EAST装置上用的是HCN激光干涉仪，HCN激光干涉仪用的光源是HCN激光器，这种激光器是一种气体激光器，工作气体为氮气、甲烷和氢气的混合气体最佳比例为1:1:5。激光器输出波长为337μm，功率约为120mW。但HCN激光器输出功率受环境温度影响比较大随着温度的变化激光器功率就会逐渐衰减。传统的处理方法是采用玻璃油套恒温系统，油套内灌有201#苯甲基硅油，硅油的温度由恒温器控制，工作温度一般在120度左右。但是缺点相当明显，比如玻璃油套的漏油问题，对激光器和实验员健康都造成损害。即便如此，实验期间实验人员仍需要每隔几个小时，进入实验现场进行功率调整，这不符合EAST托卡马克将来的实验要求。故迫切的需要更替这种处理方法，同时保证激光器输出功率稳定在高功率范围。激光干涉仪功率自动反馈控制系统就是在这种情况下建立起来的，最大的作用就是在舍弃玻璃油套恒温系统情况下，使激光干涉仪实时保持在高功率工作状态。

现有技术中，期刊SHINan,GAOXiang,Far-InfraredLaserDiagnosticsinEAST,PlasmaScienceandTechnology,Vol.13,No.3,Jun.2011中，史楠提出了一个自动控制系统，所使用的执行器是步进电机和螺旋测微器，但在实际应用中发现由于没有轴承等支撑部件造成螺旋测微器螺纹很快就磨损掉了，以至整个系统不能正常工作。中国核科技报告2007-06-15西南物理研究院的邓中朝，周燕等人还做了一个用杠杆和电机的控制系统。但这样调节就会使调节腔头的反射镜与谐振腔轴线存在一个摆角，这个摆角也会使HCN干涉仪功率降低。

发明内容本发明的目的是提供一种HCN激光干涉仪功率的自动控制系统，以解决现有技术托卡马克装置中HCN激光器需要现场调整功率的问题。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：

HCN激光干涉仪功率的自动控制系统，其特征在于：包括HCN激光器、

检测器、CPU224XP、定位模块EM253、以太网通讯模块CP243-1，所述HCN激光器包括平面腔形式的波导型谐振腔，谐振腔中心轴线一端内设置有可沿谐振腔中心轴线移动的平面反射镜作为反射端，谐振腔反射端外安装有驱动平面反射镜移动的电动平台，谐振腔中心轴线另一端开有输出窗口，输出窗口上安装有石英晶体窗片，输出窗口内还设置有金属镍网，金属镍网与石英晶体窗片之间设置有多道相互平行且平行于金属镍网网面的钨丝，通过钨丝得到线偏振输出激光，所述谐振腔顶部两端分别垂直插接有电极，电极分别与电源连接，谐振腔底部通过管路连通至真空系统，所述检测器检测HCN激光器的出射光，所述CPU224XP与检测器连接以接收检测器输出信号，CPU224XP通过定位模块EM253与电动平台的驱动电路连接，CPU224XP还通过以太网通讯模块CP243-1与上位机通讯连接。

所述的HCN激光干涉仪功率的自动控制系统，其特征在于：所述电极分别为黄铜材料制成，电极内衬有六硼化镧。

所述的HCN激光干涉仪功率的自动控制系统，其特征在于：所述真空系统由真空泵构成，真空泵通过玻璃缓冲瓶与谐振腔内连通。

本发明系统能自动控制HCN激光干涉仪的功率，使HCN激光干涉仪稳定在高功率状态，并且可以通过上位机的控制面板远程手动调控HCN激光干涉仪的功率，无须实验人员在EAST实验期间（聚变实验不易进入）进入试验大厅调节功率，且工作稳定可靠。

附图说明

图1为本发明系统结构框图。

图2为本发明HCN激光器结构示意图。

图3为电动平台功率位移关系图。

图4为具体实施方式中控制程序流程图。

具体实施方式

如图1、图2所示，HCN激光干涉仪功率的自动控制系统，包括HCN激光器、检测器、CPU224XP、定位模块EM253、以太网通讯模块CP243-1，HCN激光器包括平面腔形式的波导型谐振腔1，谐振腔1中心轴线一端内设置有可沿谐振腔中心轴线移动的平面反射镜2作为反射端，谐振腔1反射端外安装有驱动平面反射镜2移动的电动平台3，谐振腔1中心轴线另一端开有输出窗口，输出窗口上安装有石英晶体窗片4，输出窗口内还设置有金属镍网5，金属镍网5与石英晶体窗片4之间设置有多道相互平行且平行于金属镍网网面的钨丝，通过钨丝得到线偏振输出激光，谐振腔1顶部两端分别垂直插接有电极61、62，电极61、62分别与电源连接，谐振腔1底部通过管路7连通至真空系统，检测器检测HCN激光器的出射光，CPU224XP与检测器连接以接收检测器输出信号，CPU224XP通过定位模块EM253与电动平台3的驱动电路连接，CPU224XP还通过以太网通讯模块CP243-1与上位机通讯连接。

电极61、62分别为黄铜材料制成，电极6内衬有六硼化镧。

真空系统由真空泵构成，真空泵通过玻璃缓冲瓶与谐振腔1内连通。

本发明中，首先HCN激光器发出激光，经光学系统到达检测器，检测器把光的功率信号转换成电压信号，然后经过CPU224XP依次传送至定位模块EM253、驱动电路至电动平台，电动平台调节HCN激光器的腔长从而改变HCN激光干涉仪的功率，这样就组成HCN激光干涉仪功率的自动反馈控制系统，此外从CPU224XP通过以太网通讯模块CP243-1与上位机通讯连接，组成了远程上位机监控系统，可以实时监控HCN激光干涉仪功率的运行情况，并生成功率随时间的曲线图。由于检测器转换生成的电压信号是交流信号好且比较小，可将检测器的电压信号依次经过电压放大器和交流转直流转化器，再传送至CPU224XP。

HCN激光器主要由以下几个部分组成：

（1）谐振腔：HCN激光器的谐振腔为波导型谐振腔，采用平面腔形式。腔的一端为镀金的平面反射镜，用电动平台调节平面反射镜的水平位移，从而调节腔长，以得到所需要的激光模式和稳定的激光输出功率。谐振腔的另一端用750LPI（LinesperInch）的金属镍网作耦合输出，其透过率约为93%。在金属镍网前5mm处平行安装着五根直径为50μm的钨丝，以得到线偏振激光输出，偏振方向垂直于钨丝。输出窗口的窗片采用X切石英晶体，强度高，对激光吸收小。

（3）电极：辉光放电的两个电极由黄铜制成，内衬六硼化镧，阴极外装有水循环冷却系统。

（4）电源：远红外激光器的激励电源除了考虑一般气体激光器电源的要求外，还应注意在托卡马克装置运行时，维持激光器长时间连续稳定工作的需要。目前使用的10KVA高压恒流电源，输出电流0.5A-2.0A可调，电流稳定度高于0.5%，空载电压7000V，负荷电压可达5000V，一般正常工作在2500V-4500V。

（5）真空系统：采用一台2XZ-8型旋片式真空泵通过一个玻璃缓冲瓶和谐振腔相连，极限真空度可达2Pa。

由于谐振腔的长度达到3000mm且谐振腔的热膨胀系数较大，当环境温度变化时，会使激光器的谐振腔长度也随着发生变化，如早晨刚开激光器时，谐振腔由于激光器工作使谐振腔变长，这时激光器发出光的功率也会周期性的变化，有最大变最小，有最小变最大，周期长度为168.5um（由于HCN激光器的波长为337um,也就是半个波长）所以在没建立HCN激光干涉仪前通常调节HCN激光干涉仪的腔长来改变干涉仪的功率，由于在做EAST聚变实验时要求信噪比大于3也就是要求干涉仪的信号通常要保持在30mv(一般情况下噪声为7mv),所以在调节腔长的时候需要的是微米的进给机构，可以用于微米级的执行器有很多，如系统需用的电动平台，它的螺距和螺旋测微器是一样的，即旋转一圈进给0.5mm，此外还有压电陶瓷、直线电机等微米级执行机构。电动平台上的步进电机旋转一圈可以分成一万步完成即电动平台的分辨率可以达到0.05um完全可以满足精度要求。此外本发明采用的控制器是西门子S7-200PLC，选用的是CPU224XP（本体）、EM253（运动控制模块）和CP243-1（以太网模块），检测器是肖特基势垒二极管检测器，此外远红外检测器还有热释电探测器、液氦温度的InSb检测器，

本发明中，上位机内设置控制程序，由于在可调节的范围内可能有3-4个波峰，因此选择从最外面的波峰调起，直至电动平台所能到达的最后一个波峰为止，然后再返回最初位置重复上述过程，如图3所示。

控制程序流程如图4所示，程序中有一个主程序，一个子程序，两个定时中断子程序。当程序运行时首先调用子程序一读取采样信号V2，V2与设定值V1相比较，如果V2小于等于V1则调用定时中断程序一和定时中断程序二，使电动平台前进5un，和后退3um，中断程序一和中断程序二分别用T32和T96两个定时中断计时器计时，两个计时器的设定值都为2秒，在使用T37使T96延迟1秒，这样T32和T96始终相差1秒，这样两个定时中断程序就不用相互影响，使电动平台先向前运动5um再向后运动3um。a和b分别是电动平台的当前位置和电动平台的设定位置，如果当前位置大于设定位置程序继续向下执行，如果当前位置小于设定值则程序将使电动平台复位重新开始执行程序（因为当前位置和设定位置都是负数，电动平台中的步进电机逆时针转动时向前运动，而逆时针运动默认为负）。其实V1、b、T32、T96、T37都是可调的根据实验现场的情况随时可调，这样也增加了程序的适应性和可扩展性。一般V1设定20mv（虽然功率的单位是瓦特，但在这里本发明用的探测器把功率转换成了电压信号）b为-0.8mm，T32、T96、T37分别为2秒2秒和1秒。此外是设计了手动模式，如果自动控制系统出现故障，还可以通过手动控制电动平台。

使电动平台先向前运动5um再向后运动3um是因为激光器腔头加工精度的原因并不是电动平台每次运动到有功率的地方激光器就会发出激光，如果让电动平台先向前运动再向后运动这样基本上每次电动平台运动到对应有功率的地方就会发出相应的功率。

Claims (3)

1.HCN激光干涉仪功率的自动控制系统，其特征在于：包括HCN激光器、

检测器、CPU224XP、定位模块EM253、以太网通讯模块CP243-1，所述HCN激光器包括平面腔形式的波导型谐振腔，谐振腔中心轴线一端内设置有可沿谐振腔中心轴线移动的平面反射镜作为反射端，谐振腔反射端外安装有驱动平面反射镜移动的电动平台，谐振腔中心轴线另一端开有输出窗口，输出窗口上安装有石英晶体窗片，输出窗口内还设置有金属镍网，金属镍网与石英晶体窗片之间设置有多道相互平行且平行于金属镍网网面的钨丝，通过钨丝得到线偏振输出激光，所述谐振腔顶部两端分别垂直插接有电极，电极分别与电源连接，谐振腔底部通过管路连通至真空系统，所述检测器检测HCN激光器的出射光，所述CPU224XP与检测器连接以接收检测器输出信号，CPU224XP通过定位模块EM253与电动平台的驱动电路连接，CPU224XP还通过以太网通讯模块CP243-1与上位机通讯连接。

2.根据权利要求1所述的HCN激光干涉仪功率的自动控制系统，其特征在于：所述电极分别为黄铜材料制成，电极内衬有六硼化镧。

3.根据权利要求1所述的HCN激光干涉仪功率的自动控制系统，其特征在于：所述真空系统由真空泵构成，真空泵通过玻璃缓冲瓶与谐振腔内连通。