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HiLASE的控件激光系统

J. Horacek, M. Rehakova, T. Mocek, @ Institute of Physics CAS, Prague, Czech Republic

M. Pogacnik, J. Podlipnik, R. Modic @ Cosylab, Ljubljana, Slovenia

本文介绍了目前HiLASE Center控件系统的情况。我们与Cosylab合作开发,旨在构建一个控件系统,运行kWclass内部开发的激光束线。这些束线以1 kHz到1 MHz的重复频率发送皮秒脉冲和10 Hz的高能纳秒脉冲。控件系统架构是通用的,可以支持全尺寸的开发激光器或紧凑的工业版本。EPICS控件系统重点作用于图像采集和处理、真空控制、定时功能、存档和用户界面,而HiLASE满足了更高层次的需求,为完善系统,Cosylab设计了解决方案并予以实施。通过在现场查验时,执行接收测试计划,并予以交付的方式,HiLASE无需雇用和管理自己的团队,同时又可以需求和验收审批保持其对项目的控制。而Cosylab拥有符合规范的团队,可以进行自我管理,为HiLASE锦上添花。

介绍

HiLASE研发中心(高平均功率脉冲LASErs)致力于开发先进激光技术,旨在开发可在研究和高科技行业中使用的高重复频率、二极管泵浦固态激光器(DPSSL)系统。这些系统的能量范围为mJ到100 J,重复频率为10 Hz到1 MHz。该系统如图1所示。HiLASE正在研究的两大技术为薄盘激光放大器和低温冷却多板条激光放大器,前者可以1至100 kHz的重复频率,产生具有约2 皮秒宽度的脉冲;而后者可以10Hz的重复频率,产生具有100J能量的纳秒脉冲。

HiLASE与卢瑟福·阿普尔顿实验室(英国)中央雷射设施(CLF)合作开发了“Bivoj”,这是一个低温冷却多板条激光器,并将“ Perla A”分包给了Dausinger和Giesen GmbH,而其内部正在开发薄片平台“ Perla B”,“ Perla C”和新的“Perla D”。

图1:HiLASE(高平均功率脉冲LASErs)中心的激光束线概述,并给出了目标参数。

内部开发

2015年以来,有关超短脉冲激光技术和激光组件发展的报道连续不断[1][2],其中最具进步性的发展要数高重复率平台Perla C的构建,这对包括光刻在内的大多数工业激光应用而言至关重要。因此,控件系统的开发集中在Perla C上。
基于通用的控件系统架构,它可以应用于任意Perla激光器,是现有Bivoj激光器控件系统或LBDS控件系统(激光束流分配系统)的升级版。该架构的核心是TwinCAT 3实时PLC,支持50 µs和多核CPU的周期时间。所有数字和模拟信号都使用实时工业总线EtherCAT连接到I/O终端,并传递到PLC程序。PLC内部过程之间的通信由ADS(自动化设备规范)接口提供,该接口在对象之间交换消息,并允许将模块视为独立设备,确保能够按指定的顺序、时间和速率管理紧急的过程和功能。EtherCAT总线适应于灵活且可扩展的拓扑,这在开发中及将来的扩展中都很有用。
尽管EtherCAT有许多I/O终端,但将所有必需的激光器和支持设备连接到实时总线还是十分困难,或不具可行性。另外,根据编程PLC标准IEC 61131-3,许多软件任务还不够复杂,例如相机图像处理或存档。因此,设计了一个附加层并将其添加到控件系统架构中。顶层由EPICS管理,通过TwinCAT IOC连接到PLC。TwinCAT IOC是一个翻译程序,该程序将记录在EPICS通道访问和ADS接口之间传递。该顶层允许将任何非实时任务(例如存档器引擎、警报控件或人机界面(HMI))连接到控件系统。控件系统如图2所示。

图2:总体控件系统架构。

控制系统

控件系统的顶层基于EPICS [3],使用IOC与照射野设备进行通信,可通过两个标准协议公开其参数:通道访问和PV访问。 IOC部署在运行Windows 10的Beckhoff IPC [4]上。BeckhoffIPC还包括PLC,该PLC将用于安全系统、激光控件、运动系统等。

定时系统

定时系统用于激光设备之间的同步。激光源输出触发信号,并且定时系统会延迟各种设备(例如普克尔斯盒)的触发信号。
为使定时和系统同步,我们使用PCI延迟生成器卡。这些卡支持6个输出,延迟为50 纳秒至429 秒,分辨率为25 ps。
控件软件在Windows上作为桌面应用程序运行,为卡和校准的所有配置参数提供访问。它还包括驱动程序,用于通过PCI总线与卡通信。另外,控件软件提供了一个TCP/IP服务器,通过ASCII命令实现与TCP服务器的通信。此功能使我们能够编写EPICS设备支持,从而与服务器对话。该软件将卡参数公开为标准EPICS过程变量(PV),通过标准通道访问客户端(如控件System Studio)对这些变量进行监视和更新。完整的通信访问如图3所示。

图3:时序卡集成。

EPICS设备支持基于StreamDevice模块[5]。这是一个自然的解决方案,其主要目的是通过串行接口写入和读取ASCII命令。为此,必须编写一个具有逻辑和协议文件的EPICS数据库。

影像

激光的大小、形状和位置可以通过Allied vision GigE相机进行监控[6]。通过在适当位置布置多个相机,处理所获取的影像,以提取各种期望的参数。

实现基于areaDetector[7]模块,该模块为EPICS框架提供影像支持。该架构基于与硬件(相机)和插件对话的驱动程序。插件对获取的图像执行各种操作。模块内的图像表示为对象,作为指针从一个插件(驱动程序)传递给另一个插件(具有所有必需的属性)。此种实现是在插件之间共享数据的有效方法。Perla C的插件链如图4所示。大多数使用的插件是标准的,只需配置即可。一些插件需要附加功能,或是从头开始开发,或是社区版本已升级,这包括图像抽取、背景差法和多列统计信息。

使用ADProsilica驱动程序,可以从检测器(相机)获取影像。为了进行测试(如果没有可用的相机),可以从TIFF文件中加载静态图像。
原始相机影像可以在HMI上看到以进行初始检查。抽取器用于降低帧速率,以降低网络流量。影像被转发到PVA插件,该插件通过PV访问协议在网络上公开图像。在第二个(水平)分支上,将影像转发到其他插件。
在IOC上,影像的第一步是背景差法。插件从获取的图像中减去所选图像。差法消除了背景,因此仅可见激光束流或对激光束流的更改。
删除不需要的背景后,图像将被裁剪为仅显示用户感兴趣的区域。这是通过社区的ROI插件完成的。如果用户对整个区域感兴趣,则可根据需要跳过ROI。
此外,可以在裁剪后的图像上,计算诸如质心、强度、FWHM和D4σ参数之类的统计信息。因标准社区统计信息插件并不支持所有计算,所以已对其进行了扩展。
最后一步,图像采用三种路径。首先,影像显示在HMI上,显示屏还包括一个叠加层,该叠加层显示束流和束流尺寸的中心。其次,根据要求,可以将处理后的影像作为TIFF文件保存在本地硬盘上。最后,影像被存储到取证缓冲区中。取证缓冲区包含影像的最后可配置值。
发生故障时,影像被写入磁盘,以待进一步检查。

组织相关

Cosylab和HiLASE之间的合作正在不断完善。HiLASE起草最初的要求,而Cosylab对其进行迭代,并由HiLASE控件系统利益相关方和Cosylab开发技术负责人进行审查,最终由HiLASE批准。这样可以进行直接通信,并确保不丢失任何信息。部分需求文档具有前瞻性,提出了如何测试某些功能的建议。这为某些要求提供了不同的角度,并有助于阐明定义。
在设计和开发过程中,一旦遇到任何疑虑、问题或歧义,都会立即解决。这样可以使开发过程保持顺畅,大家具有一致的期望。Cosylab创建测试计划,由HiLASE进行迭代。我们了解到,由于最终用户理解和使用引用程序的方式不同,在软件测试时,代入用户角度非常重要。
接收过程分为两个阶段。首先在Cosylab上使用与HiLASE最终硬件完全相同的硬件对“工作包”中的开发进行测试。此方法简化了所有修复和改进过程。通过现场检验,Cosylab专家和HiLASE执行测试计划,并最终接收。

图4:影像处理链。

References

[1] O. Novak et al., “Status of the high average power diodepumped solid state laser development at HiLASE”, Applied Sciences, 2015, 5.4: 637-665.
[2] M. Smrz et al., “Advances in High-Power, Ultrashort Pulse DPSSL Technologies at HiLASE”, Applied Sciences, 2017, 7.10: 1016.
[3] Experimental Physics and Industrial Control System, https://epics.anl.gov/
[4] BECKHOFF New Automation Technology, https://www.beckhoff.com/IPC/
[5] StreamDevice 2, http://epics.web.psi.ch/software/streamdevice/
[6] Machine Vision Cameras Selector – Allied Vision, https://www.alliedvision.com/en/products/cameras.html
[7] areaDetector: EPICS software for area detectors, https://cars9.uchicago.edu/software/epics/areaDetector.html

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