Excimer laser control system based on LabVIEW

准分子激光作为一种大功率的紫外光源，在工业、医疗、科研等领域都有广泛的应用。工业领域中，主要用在微加工和材料表面改性两个方面，应用有激光退火、大规模集成电路刻蚀等; 医疗领域中，在皮肤病治疗和眼部治疗等中发挥重要作用; 在科研领域中，材料科学、环境科学和光谱学等研究都需要用到准分子激光器，如激光诱导损伤、脉冲激光沉积、激光质谱检测大气气溶胶^[1-6]。这些应用对准分子激光器提出了很高的要求，在优良的激光性能的基础上，需要实现简便的控制和稳定的运行，尤其是需要满足系统集成的需求，实现激光器在整体应用中的集成和控制。目前国内的准分子激光器的控制多采用基于嵌入式的按键和触摸屏，可以实现激光器的单独控制，但不易实现系统集成，不利于激光应用系统的开发; 另外, 国内也有研究机构尝试直接采用个人计算机(personal computer, PC)端控制软件产生各种控制信号，通过数据采集卡去直接驱动各个硬件电路^[7]，由于放电激励准分子激光器的强电磁干扰^[8]，这种方案对系统的稳定可靠运行，以及PC系统的硬件条件等都提出了较高的要求。

本文中设计了一种新型的准分子激光器控制系统，PC端基于LabVIEW软件平台实现人机界面交互、各种控制指令、参量显示和能量闭环控制设计等，激光器端基于微控制单元(microcontroller unit, MCU)模块去控制各硬件电路模块以及检测传感器信号等，LabVIEW与MCU主控模块采用光隔离的RS232通讯，通过虚拟仪器实现计算机对准分子激光器的实时监测和控制。该系统可提供友好的用户交互平台，且支持Win7, Win8, Win10等多操作系统，易移植且具有通用性，可以方便地实现使用准分子激光光源的激光系统集成。

准分子激光器的整体系统主要由MCU主控模块、气路控制模块、高压逆变模块、能量检测模块、激光器腔体等组成。各模块示意如图 1所示。准分子激光器的工作物质是有一定配比的稀有气体卤化物，激光腔体用来提供工作气体的承载空间。气路控制模块主要负责监测腔体气压、不同气体流向控制和用户自动换气等^[9]。高压逆变模块主要负责准分子激光充电电源的工作和闸流管的通断，实现对充放电过程的控制^[10]。能量检测模块负责实时检测准分子激光的能量信息。随准分子激光器气体寿命的衰减，PC端根据探测到的激光能量信息，采用适当的算法，动态调整工作电压来保证输出激光能量的稳定^[11-14]。MCU主控模块负责与上位机LabVIEW通讯，同时监控和管理气路控制模块、高压逆变模块和能量检测模块等。

Figure 1.  Information transfer between modules of excimer laser

目前常见的准分子激光器采用放电抽运的工作方式，电路结构示意图如图 2所示。工作过程主要为：电容充电电源(capacitor charging power supply, CCPS)在信号的驱动下对储能电容C_s进行充电，当C_s上的充电电压达到设定值时停止工作，则储能电容C_s上的电压不再上升并维持; 随后控制电路产生闸流管K触发信号使得闸流管导通，则C_s上的电荷经回路电感向放电电容C_d转移; 当C_d两端电压超过电极间气体的击穿电压时，腔体内的气体被击穿，从而放电产生准分子激光输出。所以, 气体击穿的高电压大电流以及附加的强电干扰^[8]，是准分子激光器的技术特点，也是控制系统实现的技术难点。

Figure 2.  Typical discharge circuit for excimer lasers

MCU主控模块的核心是中央处理芯片，选用PIC系列单片机来满足控制系统的需求，中央处理芯片的外围电路模块包括数模转换电路模块，储能电容C_s充电信号产生模块，光纤接收模块和光纤发送模块等组成，它的设计如图 3所示。储能电容C_s充电信号产生模块由数字频率合成芯片AD9833与逻辑电路组成，单片机与AD9833采用串行外设接口(serial peripheral interface, SPI)通信产生不同频率的方波信号，再结合逻辑电路产生占空比可调、频率可调的充电信号，再经光纤发射模块3完成电光转换; 表征激光器腔体的气压和温度的频率光信号经光电接收模块1转换成电信号，经由数模转换电路模块实现频压(frequency/voltage，F/V)的转换，分别将气压和温度的模拟信息传递给单片机的RA0/AN0和RA3/AN3进行处理; 单片机与PC端采用USART通讯，单片机RC6/TX引脚经过光纤发送模块1完成电光转换，RC7/RX引脚经光纤接收模块1实现光电转换; 单片机的RB1, RB2, RB4等引脚经过光纤发送模块2传递光信号给气路控制模块。

Figure 3.  Design of MCU main control module

一套完整的现代检测控制系统需要有多功能、人性化、操作简单的计算机终端软件。本控制系统的软件设计采用目前广泛应用的LabVIEW 2015开发环境，LabVIEW采用图形编程语言(G语言)，支持多种硬件接口，在计算机屏幕上建立图形化软面板，就可以实现“软件即是仪器”，且LabVIEW具有图形化编程环境、功能强大的数据库、数据流编程、开发周期短、支持多操作系统等特性^[15-18]。

PC端控制系统软件通过串口与MCU主控模块进行通信，本系统中采用LabVIEW中标准输入/输出(input/output, I/O)应用程序接口VISA进行数据通信^[19]，通过计算机的串口与MCU主控模块相连，采用的通信方式是串行通信方式USART。

本系统基本通信数据格式为：通信波特率9600bit/s，8位数据位，无奇偶校验，1位停止位。在强大电磁干扰的条件下，本系统对传送的数据增设帧头，来保证LabVIEW和MCU主控模块的可靠通信。同时为了防止通信过程中的丢帧出现，通过队列数据结构先入先出(first in first out, FIFO)对数据进行接收和读取，如图 4所示。

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

LabVIEW发送给MCU主控模块的字符串格式为：数据起始标识符(0xAA+0x78)+用户不同操作对应的1个字节。MCU主控模块会通过条件判断结构体对接收到的字符串进行判断，从而决定是否跳入某一功能模块去执行代码，实现预先设定的功能。

MCU主控模块发送给LabVIEW的字符串格式为：数据起始标识符(0x46+0x53)+不同的字节。LabVIEW接收到字符串进行解析，显示解析之后的相关数据，并且对解析出来的数据进行判断，决定是否发出警报来提示用户。LabVIEW解析接收到的字符串的流程如图 5所示。

Figure 5.  The schematic of LabVIEW parse the received string

基于LabVIEW的准分子激光器控制系统软件由用户操作指令、实时监测、动态显示、超限报警等模块组成。用户操作指令模块：设置激光器参量、激光器启停操作、不同气体配比选择、读取当前激光器运行的脉冲数等。实时监测模块：串口接收到的字符串解析，分析激光器的实时状态。超限报警模块：当用户操作指令超出设定范围或监测到激光器的异常时，通过对话框、指示灯和声音这3种方式发出警报，来提示用户。上位机软件结构如图 6所示。

Figure 6.  LabVIEW program flow chart

单片机主程序利用C语言作为编程工具，软件的开发环境是MICROCHIP公司官方提供的集成开发环境MPLAB IDE，开发环境对MICROCHIP公司的PIC系列单片机进行设计开发。下位机的流程如图 7所示。从程序的流程图看，准分子激光器下位机软件主要由预热倒计时模块、激光器工作控制模块、自动换气模块、能量气压刷新模块、用户操作指令的识别模块和用户不同操作指令的处理模块组成。在主循环中，程序依次循环访问每个模块，达到条件时会进入模块执行程序; 不满足条件会忽略本次访问。

Figure 7.  MCU software flow chart

光纤通讯的最大特点是单向传递信号，实现电气隔离，可有效地抑制电磁干扰^[20]。本控制系统的各模块之间数字量全部通过光纤进行传递。采用光纤进行信号传输的示意图如图 8所示。

Figure 8.  Fiber optical fiber device transmits signal

串口通信设计可将计算机与MCU主控模块连接起来，进而实现基于LabVIEW的准分子激光器控制系统从虚拟仪器到真实仪器的过渡^[5]，它的示意图如图 9所示。MCU主控模块和MAX232模块均已包含光纤发送模块和光线接收模块，两者采用光纤通讯。

Figure 9.  The schematic of serial communication design

用户操作指令经通用串行总线转DB9串口线传递给MAX232模块的R1IN，MAX232完成电平转换从R1OUT引脚输出，通过光纤通讯传递给MCU主控模块，接着MCU主控模块针对用户不同的操作指令进入不同的功能模块，实现预先设定的不同功能。MCU主控模块传递给PC端控制系统软件的信息由TX引脚输出，经光纤通讯传递给MAX232模块的T1IN引脚，随后MAX232完成电平转换从T1OUT输出，经过USB转DB9串口线传递给PC端控制系统软件，LabVIEW再对接收到的字符串进行解析。

用一台248nm的KrF准分子激光器作为该控制系统的实验平台，测试系统的综合性能。首先准分子激光器作为一种气体激光器，气体组分控制的精度直接影响其性能; 其次准分子激光的脉冲输出特性，要求控制系统能够实时精准的显示激光脉冲能量; 最后由于准分子激光输出性能会随脉冲和时间衰减，因此, 控制系统最重要的是能够实现闭环控制，稳定输出激光脉冲能量。系统性能测试主要针对以上3个方面进行。

该248nm准分子激光器正常工作时的腔体气压为3.3×10⁵Pa, 测试系统的自动换气时，将实际测得的气压值和PC端控制系统软件界面上显示的气压值进行对比，图 10为1组气压测试数据描点图。显示值的最大误差误差为2.1%，平均误差为0.2%, 满足系统对换气的使用需求。

Figure 10.  The compare of actual and display pressure

能量检测的对比测试通过采用外置以色列OPHIR公司PE50BF-C能量探头进行激光脉冲能量直接测量，与PC端控制系统软件读取的内置能量检测值进行对比。测试的环境是设置23kV~30kV各个档位的工作电压，重复频率均为5Hz，每个电压档位测试100个激光脉冲能量的平均值。图 11中给出不同工作电压下，PC端控制系统软件和OPHIR能量计同步测得的激光能量。对激光能量数据进行对比分析，最大误差为2.3%，平均误差为0.2%。PC端控制系统软件与OPHIR能量计在结果上呈现良好的一致性，说明该控制系统可以满足对能量实时准确的监测。

Figure 11.  The compare of actual and display energy value

传统能量闭环控制依靠单片机来实现，占用单片机的程序存储空间和数据存储空间，影响MCU端功能的扩展，且不易实现复杂的控制算法和良好的控制精度。为克服以上问题，本系统中采用LabVIEW实现对能量闭环的控制，PC端控制软件在可靠读取激光脉冲能量的基础上，调用控制软件内部的优化控制算法，对激光器的工作电压进行实时调整，来保证激光能量稳定输出。

对能量闭环(恒能量模式)控制下的系统性能进行测试，图 12为激光器在恒能量模式下, 10Hz连续运行1h，用PE50BF-C能量探头测试所得的能量随运行时间变化的曲线。根据在线统计数据可知，1h内36000个脉冲中，最大值为135mJ，最小值为131.3mJ，测量精度为1.1mJ，能量波动性小于1%，反映了控制系统可以良好的通过动态调节工作电压来保证激光能量的稳定。

Figure 12.  Conntinuous test of 248nm KrF excimer laser worked under constant energy mode

本文中设计了一种新型的准分子激光器控制系，PC端基于LabVIEW设计，激光器端基于MCU控制，两者通过光纤隔离通信的方式交互，克服了放电激励准分子激光器强电磁干扰的技术难点，有效稳定地读取各种传感信号，实现各种控制算法。系统实现了良好人机交互，方便功能扩展，且非常适合于基于激光光源的应用系统的整机设计和集成。经对比测试和长期运行，系统各项技术性能稳定，可靠地实现了对准分子激光器的实时控制和状态监测。