潘冰冰，梁 勖，潘 寧，林 穎，徐 健，方曉東

（1.中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所，合肥230031；2.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，合肥230026；3.合肥工業(yè)大學(xué)電子科學(xué)與應(yīng)用物理學(xué)院，合肥230009）

引 言

準(zhǔn)分子激光作為一種大功率的紫外光源，在工業(yè)、醫(yī)療、科研等領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。工業(yè)領(lǐng)域中，主要用在微加工和材料表面改性兩個(gè)方面，應(yīng)用有激光退火、大規(guī)模集成電路刻蝕等；醫(yī)療領(lǐng)域中，在皮膚病治療和眼部治療等中發(fā)揮重要作用；在科研領(lǐng)域中，材料科學(xué)、環(huán)境科學(xué)和光譜學(xué)等研究都需要用到準(zhǔn)分子激光器，如激光誘導(dǎo)損傷、脈沖激光沉積、激光質(zhì)譜檢測大氣氣溶膠［1-6］。這些應(yīng)用對(duì)準(zhǔn)分子激光器提出了很高的要求，在優(yōu)良的激光性能的基礎(chǔ)上，需要實(shí)現(xiàn)簡便的控制和穩(wěn)定的運(yùn)行，尤其是需要滿足系統(tǒng)集成的需求，實(shí)現(xiàn)激光器在整體應(yīng)用中的集成和控制。目前國內(nèi)的準(zhǔn)分子激光器的控制多采用基于嵌入式的按鍵和觸摸屏，可以實(shí)現(xiàn)激光器的單獨(dú)控制，但不易實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)集成，不利于激光應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)；另外，國內(nèi)也有研究機(jī)構(gòu)嘗試直接采用個(gè)人計(jì)算機(jī)（personal computer，PC）端控制軟件產(chǎn)生各種控制信號(hào)，通過數(shù)據(jù)采集卡去直接驅(qū)動(dòng)各個(gè)硬件電路［7］，由于放電激勵(lì)準(zhǔn)分子激光器的強(qiáng)電磁干擾［8］，這種方案對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠運(yùn)行，以及PC系統(tǒng)的硬件條件等都提出了較高的要求。

本文中設(shè)計(jì)了一種新型的準(zhǔn)分子激光器控制系統(tǒng)，PC端基于LabVIEW軟件平臺(tái)實(shí)現(xiàn)人機(jī)界面交互、各種控制指令、參量顯示和能量閉環(huán)控制設(shè)計(jì)等，激光器端基于微控制單元（microcontroller unit，MCU）模塊去控制各硬件電路模塊以及檢測傳感器信號(hào)等，LabVIEW與MCU主控模塊采用光隔離的RS232通訊，通過虛擬儀器實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)對(duì)準(zhǔn)分子激光器的實(shí)時(shí)監(jiān)測和控制。該系統(tǒng)可提供友好的用戶交互平臺(tái)，且支持Win7，Win8，Win10等多操作系統(tǒng)，易移植且具有通用性，可以方便地實(shí)現(xiàn)使用準(zhǔn)分子激光光源的激光系統(tǒng)集成。

Fig.1 Information transfer between modules of excimer laser

1 準(zhǔn)分子激光器控制系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

準(zhǔn)分子激光器的整體系統(tǒng)主要由MCU主控模塊、氣路控制模塊、高壓逆變模塊、能量檢測模塊、激光器腔體等組成。各模塊示意如圖1所示。準(zhǔn)分子激光器的工作物質(zhì)是有一定配比的稀有氣體鹵化物，激光腔體用來提供工作氣體的承載空間。氣路控制模塊主要負(fù)責(zé)監(jiān)測腔體氣壓、不同氣體流向控制和用戶自動(dòng)換氣等［9］。高壓逆變模塊主要負(fù)責(zé)準(zhǔn)分子激光充電電源的工作和閘流管的通斷，實(shí)現(xiàn)對(duì)充放電過程的控制［10］。能量檢測模塊負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)檢測準(zhǔn)分子激光的能量信息。隨準(zhǔn)分子激光器氣體壽命的衰減，PC端根據(jù)探測到的激光能量信息，采用適當(dāng)?shù)乃惴?，?dòng)態(tài)調(diào)整工作電壓來保證輸出激光能量的穩(wěn)定［11-14］。MCU主控模塊負(fù)責(zé)與上位機(jī)LabVIEW通訊，同時(shí)監(jiān)控和管理氣路控制模塊、高壓逆變模塊和能量檢測模塊等。

目前常見的準(zhǔn)分子激光器采用放電抽運(yùn)的工作方式，電路結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。工作過程主要為：電容充電電源（capacitor charging power supply，CCPS）在信號(hào)的驅(qū)動(dòng)下對(duì)儲(chǔ)能電容Cs進(jìn)行充電，當(dāng)Cs上的充電電壓達(dá)到設(shè)定值時(shí)停止工作，則儲(chǔ)能電容Cs上的電壓不再上升并維持；隨后控制電路產(chǎn)生閘流管K觸發(fā)信號(hào)使得閘流管導(dǎo)通，則Cs上的電荷經(jīng)回路電感向放電電容Cd轉(zhuǎn)移；當(dāng)Cd兩端電壓超過電極間氣體的擊穿電壓時(shí)，腔體內(nèi)的氣體被擊穿，從而放電產(chǎn)生準(zhǔn)分子激光輸出。所以，氣體擊穿的高電壓大電流以及附加的強(qiáng)電干擾［8］，是準(zhǔn)分子激光器的技術(shù)特點(diǎn)，也是控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的技術(shù)難點(diǎn)。

Fig.2 Typical discharge circuit for excimer lasers

2 MCU主控模塊的設(shè)計(jì)

Fig.3 Design of MCU main controlmodule

MCU主控模塊的核心是中央處理芯片，選用PIC系列單片機(jī)來滿足控制系統(tǒng)的需求，中央處理芯片的外圍電路模塊包括數(shù)模轉(zhuǎn)換電路模塊，儲(chǔ)能電容Cs充電信號(hào)產(chǎn)生模塊，光纖接收模塊和光纖發(fā)送模塊等組成，它的設(shè)計(jì)如圖3所示。儲(chǔ)能電容Cs充電信號(hào)產(chǎn)生模塊由數(shù)字頻率合成芯片AD9833與邏輯電路組成，單片機(jī)與AD9833采用串行外設(shè)接口（serial peripheral interface，SPI）通信產(chǎn)生不同頻率的方波信號(hào)，再結(jié)合邏輯電路產(chǎn)生占空比可調(diào)、頻率可調(diào)的充電信號(hào)，再經(jīng)光纖發(fā)射模塊3完成電光轉(zhuǎn)換；表征激光器腔體的氣壓和溫度的頻率光信號(hào)經(jīng)光電接收模塊1轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，經(jīng)由數(shù)模轉(zhuǎn)換電路模塊實(shí)現(xiàn)頻壓（frequency/voltage，F(xiàn)/V）的轉(zhuǎn)換，分別將氣壓和溫度的模擬信息傳遞給單片機(jī)的RA0/AN0和RA3/AN3進(jìn)行處理；單片機(jī)與PC端采用USART通訊，單片機(jī)RC6/TX引腳經(jīng)過光纖發(fā)送模塊1完成電光轉(zhuǎn)換，RC7/RX引腳經(jīng)光纖接收模塊1實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換；單片機(jī)的RB1，RB2，RB4等引腳經(jīng)過光纖發(fā)送模塊2傳遞光信號(hào)給氣路控制模塊。

3 控制軟件設(shè)計(jì)

一套完整的現(xiàn)代檢測控制系統(tǒng)需要有多功能、人性化、操作簡單的計(jì)算機(jī)終端軟件。本控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)采用目前廣泛應(yīng)用的LabVIEW 2015開發(fā)環(huán)境，LabVIEW采用圖形編程語言（G語言），支持多種硬件接口，在計(jì)算機(jī)屏幕上建立圖形化軟面板，就可以實(shí)現(xiàn)“軟件即是儀器”，且LabVIEW具有圖形化編程環(huán)境、功能強(qiáng)大的數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)流編程、開發(fā)周期短、支持多操作系統(tǒng)等特性［15-18］。

3.1 數(shù)據(jù)通信的實(shí)現(xiàn)

PC端控制系統(tǒng)軟件通過串口與MCU主控模塊進(jìn)行通信，本系統(tǒng)中采用 LabVIEW中標(biāo)準(zhǔn)輸入/輸出（input/output，I/O）應(yīng)用程序接口 VISA進(jìn)行數(shù)據(jù)通信［19］，通過計(jì)算機(jī)的串口與MCU主控模塊相連，采用的通信方式是串行通信方式USART。

本系統(tǒng)基本通信數(shù)據(jù)格式為：通信波特率9600bit/s，8位數(shù)據(jù)位，無奇偶校驗(yàn)，1位停止位。在強(qiáng)大電磁干擾的條件下，本系統(tǒng)對(duì)傳送的數(shù)據(jù)增設(shè)幀頭，來保證LabVIEW和MCU主控模塊的可靠通信。同時(shí)為了防止通信過程中的丟幀出現(xiàn)，通過隊(duì)列數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)先入先出（first in first out，F(xiàn)IFO）對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行接收和讀取，如圖4所示。

LabVIEW發(fā)送給MCU主控模塊的字符串格式為：數(shù)據(jù)起始標(biāo)識(shí)符（0xAA+0x78）+用戶不同操作對(duì)應(yīng)的1個(gè)字節(jié)。MCU主控模塊會(huì)通過條件判斷結(jié)構(gòu)體對(duì)接收到的字符串進(jìn)行判斷，從而決定是否跳入某一功能模塊去執(zhí)行代碼，實(shí)現(xiàn)預(yù)先設(shè)定的功能。

Fig.4 The schematic of LabVIEW serial port read and write

MCU主控模塊發(fā)送給LabVIEW的字符串格式為：數(shù)據(jù)起始標(biāo)識(shí)符（0x46+0x53）+不同的字節(jié)。LabVIEW接收到字符串進(jìn)行解析，顯示解析之后的相關(guān)數(shù)據(jù)，并且對(duì)解析出來的數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷，決定是否發(fā)出警報(bào)來提示用戶。LabVIEW解析接收到的字符串的流程如圖5所示。

Fig.5 The schematic of LabVIEW parse the received string

3.2 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

基于LabVIEW的準(zhǔn)分子激光器控制系統(tǒng)軟件由用戶操作指令、實(shí)時(shí)監(jiān)測、動(dòng)態(tài)顯示、超限報(bào)警等模塊組成。用戶操作指令模塊：設(shè)置激光器參量、激光器啟停操作、不同氣體配比選擇、讀取當(dāng)前激光器運(yùn)行的脈沖數(shù)等。實(shí)時(shí)監(jiān)測模塊：串口接收到的字符串解析，分析激光器的實(shí)時(shí)狀態(tài)。超限報(bào)警模塊：當(dāng)用戶操作指令超出設(shè)定范圍或監(jiān)測到激光器的異常時(shí)，通過對(duì)話框、指示燈和聲音這3種方式發(fā)出警報(bào)，來提示用戶。上位機(jī)軟件結(jié)構(gòu)如圖6所示。

3.3 下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

單片機(jī)主程序利用C語言作為編程工具，軟件的開發(fā)環(huán)境是MICROCHIP公司官方提供的集成開發(fā)環(huán)境MPLAB IDE，開發(fā)環(huán)境對(duì)MICROCHIP公司的PIC系列單片機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)開發(fā)。下位機(jī)的流程如圖7所示。從程序的流程圖看，準(zhǔn)分子激光器下位機(jī)軟件主要由預(yù)熱倒計(jì)時(shí)模塊、激光器工作控制模塊、自動(dòng)換氣模塊、能量氣壓刷新模塊、用戶操作指令的識(shí)別模塊和用戶不同操作指令的處理模塊組成。在主循環(huán)中，程序依次循環(huán)訪問每個(gè)模塊，達(dá)到條件時(shí)會(huì)進(jìn)入模塊執(zhí)行程序；不滿足條件會(huì)忽略本次訪問。

Fig.6 LabVIEW program flow chart

Fig.7 MCU software flow chart

4 光纖通訊設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

光纖通訊的最大特點(diǎn)是單向傳遞信號(hào)，實(shí)現(xiàn)電氣隔離，可有效地抑制電磁干擾［20］。本控制系統(tǒng)的各模塊之間數(shù)字量全部通過光纖進(jìn)行傳遞。采用光纖進(jìn)行信號(hào)傳輸?shù)氖疽鈭D如圖8所示。

Fig.8 Fiber optical fiber device transmits signal

串口通信設(shè)計(jì)可將計(jì)算機(jī)與MCU主控模塊連接起來，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)基于LabVIEW的準(zhǔn)分子激光器控制系統(tǒng)從虛擬儀器到真實(shí)儀器的過渡［5］，它的示意圖如圖9所示。MCU主控模塊和MAX232模塊均已包含光纖發(fā)送模塊和光線接收模塊，兩者采用光纖通訊。

Fig.9 The schematic of serial communication design

用戶操作指令經(jīng)通用串行總線轉(zhuǎn)DB9串口線傳遞給MAX232模塊的R1IN，MAX232完成電平轉(zhuǎn)換從R1OUT引腳輸出，通過光纖通訊傳遞給MCU主控模塊，接著MCU主控模塊針對(duì)用戶不同的操作指令進(jìn)入不同的功能模塊，實(shí)現(xiàn)預(yù)先設(shè)定的不同功能。MCU主控模塊傳遞給PC端控制系統(tǒng)軟件的信息由TX引腳輸出，經(jīng)光纖通訊傳遞給MAX232模塊的T1IN引腳，隨后MAX232完成電平轉(zhuǎn)換從T1OUT輸出，經(jīng)過USB轉(zhuǎn)DB9串口線傳遞給PC端控制系統(tǒng)軟件，LabVIEW再對(duì)接收到的字符串進(jìn)行解析。

5 系統(tǒng)性能測試

用一臺(tái)248nm的KrF準(zhǔn)分子激光器作為該控制系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，測試系統(tǒng)的綜合性能。首先準(zhǔn)分子激光器作為一種氣體激光器，氣體組分控制的精度直接影響其性能；其次準(zhǔn)分子激光的脈沖輸出特性，要求控制系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)精準(zhǔn)的顯示激光脈沖能量；最后由于準(zhǔn)分子激光輸出性能會(huì)隨脈沖和時(shí)間衰減，因此，控制系統(tǒng)最重要的是能夠?qū)崿F(xiàn)閉環(huán)控制，穩(wěn)定輸出激光脈沖能量。系統(tǒng)性能測試主要針對(duì)以上3個(gè)方面進(jìn)行。

5.1 實(shí)時(shí)監(jiān)測腔體氣壓的性能測試

該248nm準(zhǔn)分子激光器正常工作時(shí)的腔體氣壓為3.3×105Pa，測試系統(tǒng)的自動(dòng)換氣時(shí)，將實(shí)際測得的氣壓值和PC端控制系統(tǒng)軟件界面上顯示的氣壓值進(jìn)行對(duì)比，圖10為1組氣壓測試數(shù)據(jù)描點(diǎn)圖。顯示值的最大誤差誤差為2.1%，平均誤差為0.2%，滿足系統(tǒng)對(duì)換氣的使用需求。

Fig.10 The compare of actual and display pressure

5.2 實(shí)時(shí)監(jiān)測腔體氣壓的性能測試

能量檢測的對(duì)比測試通過采用外置以色列OPHIR公司PE50BF-C能量探頭進(jìn)行激光脈沖能量直接測量，與PC端控制系統(tǒng)軟件讀取的內(nèi)置能量檢測值進(jìn)行對(duì)比。測試的環(huán)境是設(shè)置23kV～30kV各個(gè)檔位的工作電壓，重復(fù)頻率均為5Hz，每個(gè)電壓檔位測試100個(gè)激光脈沖能量的平均值。圖11中給出不同工作電壓下，PC端控制系統(tǒng)軟件和OPHIR能量計(jì)同步測得的激光能量。對(duì)激光能量數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，最大誤差為2.3%，平均誤差為0.2%。PC端控制系統(tǒng)軟件與OPHIR能量計(jì)在結(jié)果上呈現(xiàn)良好的一致性，說明該控制系統(tǒng)可以滿足對(duì)能量實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的監(jiān)測。

Fig.11 The compare of actual and display energy value

5.3 能量閉環(huán)控制的性能測試

傳統(tǒng)能量閉環(huán)控制依靠單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)，占用單片機(jī)的程序存儲(chǔ)空間和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間，影響MCU端功能的擴(kuò)展，且不易實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制算法和良好的控制精度。為克服以上問題，本系統(tǒng)中采用LabVIEW實(shí)現(xiàn)對(duì)能量閉環(huán)的控制，PC端控制軟件在可靠讀取激光脈沖能量的基礎(chǔ)上，調(diào)用控制軟件內(nèi)部的優(yōu)化控制算法，對(duì)激光器的工作電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，來保證激光能量穩(wěn)定輸出。

對(duì)能量閉環(huán)（恒能量模式）控制下的系統(tǒng)性能進(jìn)行測試，圖12為激光器在恒能量模式下，10Hz連續(xù)運(yùn)行1h，用PE50BF-C能量探頭測試所得的能量隨運(yùn)行時(shí)間變化的曲線。根據(jù)在線統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可知，1h內(nèi)36000個(gè)脈沖中，最大值為135mJ，最小值為131.3mJ，測量精度為1.1m J，能量波動(dòng)性小于1%，反映了控制系統(tǒng)可以良好的通過動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)工作電壓來保證激光能量的穩(wěn)定。

Fig.12 Conntinuous test of 248nm KrF excimer laser worked under constant energymode

6 結(jié) 論

本文中設(shè)計(jì)了一種新型的準(zhǔn)分子激光器控制系，PC端基于LabVIEW設(shè)計(jì)，激光器端基于MCU控制，兩者通過光纖隔離通信的方式交互，克服了放電激勵(lì)準(zhǔn)分子激光器強(qiáng)電磁干擾的技術(shù)難點(diǎn)，有效穩(wěn)定地讀取各種傳感信號(hào)，實(shí)現(xiàn)各種控制算法。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了良好人機(jī)交互，方便功能擴(kuò)展，且非常適合于基于激光光源的應(yīng)用系統(tǒng)的整機(jī)設(shè)計(jì)和集成。經(jīng)對(duì)比測試和長期運(yùn)行，系統(tǒng)各項(xiàng)技術(shù)性能穩(wěn)定，可靠地實(shí)現(xiàn)了對(duì)準(zhǔn)分子激光器的實(shí)時(shí)控制和狀態(tài)監(jiān)測。