EAST激光汤姆逊散射诊断激光光路准直系统的设计和实现

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非相干激光汤姆逊散射诊断系统作为EAST装置目前最为重要的诊断之一,已经完成25个采集点的芯部诊断系统建设。由于激光散射信号是电子在激光作用下的二次辐射,因此激光的传输质量直接影响散射光质量。EAST芯部汤姆逊散射诊断激光传输光路总距离约35m,由于光程较长,光路上任何一处微小变化都会导致光束位置的偏离。最终能收集到的散射信号非常弱。因此,必须保证激光的传输质量,保证激光能量中心成像在光纤轴线上,以获得最大的汤姆逊散射信号。光路调节状态直接影响着散射光的收集及杂散光水平。以往汤姆逊散射系统都是依靠人工调节光路来准直激光光路的,存在耗时长,精确度不够等弊端,而且对于等离子体放电期间的光路偏移情况无法解决。本论文正是在这样的实验需求背景下通过理论研究和技术研发,研究出一套可用于远程控制调节激光传输光路的光路准直系统。  本文首先对目前国际上各大装置激光汤姆逊散射诊断系统的光路准直技术进行调研,比较各系统优势,并借鉴应用于EAST托卡马克激光汤姆逊散射诊断的准直系统的研究中;本文提出一种针对EAST汤姆逊散射诊断系统使用的基于激光光斑图像反馈调节电动镜架的自准直光束技术,设计并研制了为了保持激光光束指向稳定性的激光光路准直测量系统。该系统通过在光路的几个关键位置放置工业摄像头实时监测激光光斑的位置,并利用激光器的脉冲同步触发所采集到的光斑图像信息来计算和标准光斑中心的偏移量,进而结合闭环反馈技术来控制调节光路上的伺服反射镜镜架的电机,使光束恢复到原来的位置达到准直光束的目的。  本文从硬件系统各个设备的设计、选取、搭建以及软件系统总体设计两个方面,给出了激光光路准直系统的整体设计方案。首先在硬件系统设计部分介绍了准直系统各个硬件设备的选择和使用这些硬件设备测量激光光斑的方法,并简单介绍了系统所使用的CCD、镜架等各个相关设备的基本原理和特性。介绍完硬件系统后本论文继续介绍了该光路准直系统所需的软件系统功能的相关开发和实现过程。通过所选取的西安维视公司的CCD自带的SDK开发工具,实现了对图像采集模块的开发;同时应用Matlab图像处理功能在VC++开发平台上混合编程实现了光斑图像后期处理模块;获取图像信息后又通过实验前标定的反馈比例系数计算二维镜架驱动电机应调节的相应的脉冲数,从而实现了闭环反馈控制镜架调节的功能;并且通过得到激光光斑的图像信息,我们可以计算激光光斑的三维模型,判断光斑图像光强的分布是否满足高斯分布,在伪彩色图像中我们可以得到图像中各个位置的光强分布的强弱,大小,能够准确的反应出光斑的能量密度的分布;最后设计了友好的人机界面,实现了对包含激光图像采集、图像数据通讯、图像后期处理、反馈调节镜架以及光斑能量分布计算五大功能的集成。  本文所设计的光路准直系统能在实验中较好地保持激光传输的指向稳定性并且可以通过汤姆逊散射实验室中的电脑主机远程执行整个光路激光光束准直过程。通过这个更有效率的新光路准直系统,汤姆逊散射诊断也可以在实验中获得更精确的诊断数据。
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