無論何種激光應用,為維持光路穩(wěn)定,振動隔離和桌面阻尼的重要性都是再強調也不為過。
一套復雜的光學系統(tǒng)是否穩(wěn)定,在很大程度上取決于光學平臺和隔振腿的性能。隨著應用的不斷豐富,光學系統(tǒng)的設計正變得愈發(fā)復雜,也為光路穩(wěn)定性帶來更大挑戰(zhàn)——如果安裝使用不正確,即使wan美的隔振方案也難以起到效果。
光學平臺重要的作用是提供動態(tài)剛度(Dynamic rigidity)。光路的穩(wěn)定性主要受桌面長軸方向上點對點的相對運動影響。這些相對運動產生于桌面上搭建的設備、空氣調節(jié)(HVAC)系統(tǒng)以及其他聲音來源。削減這些振動的jia方案是在來源處即行隔絕,比如在設備與桌面間放置柔性墊、為排氣管增加擋板或使用隔聲罩。需要注意的是,光學平臺盡管提供了相對穩(wěn)定的環(huán)境,但不能*阻止來自桌面本身的振動,從而影響桌面上的其他設備。
光學元件的形變是系統(tǒng)不穩(wěn)定的第二大來源。即使將光學平臺視作剛體,該剛體的固有振動依然會觸發(fā)光學調整架的自然振動,導致光路不穩(wěn)定。為了定量模擬光學調整架在典型實驗室環(huán)境中可能產生的位移,我們將1英寸調整架固定于6英寸鏡柱上,并在光學平臺表面模擬類似于桌面上的風扇、電動位移臺或其他聲學擾動的寬帶噪聲。調整架的位移由一個不產生任何質量效應的激光測振儀來測量。實驗使用了SmartTable主動阻尼光學平臺,同時測量結構阻尼和主動阻尼的運動,以便充分地體現阻尼桌面的減振效果。
桌面主動阻尼隔振
典型實驗室環(huán)境中,寬帶噪聲可能造成光學調整架的位移量,很大程度上取決于其所在光學平臺的阻尼性能。
ST系列SmartTable光學平臺通過鑲嵌于桌面結構內的振動傳感器和促動器,以及控制電路和算法實現了主動阻尼。
對于上述1英寸調整架和6英寸鏡柱的系統(tǒng),調整架受激時會產生800 nm的位移。如果使用SmartTable和主動阻尼,位移會降至10到20 nm(見上圖)。因為該系統(tǒng)中鏡柱、調整架和桌面的固有頻率相近,因此振幅較大,桌面的阻尼效應得到突顯。盡管實際實驗時光學元件的固有頻率各不相同,但該結果確實說明了光學元件的選擇和安裝需要與桌面環(huán)境作整體考慮,以優(yōu)化光路穩(wěn)定性。
一個測試桌面作用力與調整架水平位移關系的模擬實驗示意圖
接著我們測試了0.5英寸鏡柱和鏡座的組合,總高6英寸,如上圖所示。鏡柱頂端安置了一個質量近似于普通調整架的加速度計,以監(jiān)控水平方向上的位移;桌面上安裝的力傳感器則用來測量模擬作用力,進而得出作用力轉化為相對位移的關系方程。下圖可見,無論主動阻尼開啟或關閉,鏡柱/鏡座在自然振動模式下都會產生兩個共振峰(紅色)。開啟主動阻尼可以抑制桌面的固有振動,但鏡柱/鏡座的自然振動并不能被有效隔離。
上述實驗不僅驗證了桌面主動阻尼的效果,同時也證實了光學元件的振動對光路穩(wěn)定性存在影響。削減這些振動的方式包括:一、盡可能降低光路高度,二、對靈敏度高的光學元件使用wen定的鏡柱和夾具,三、盡量將這些高精度元件固定于光學平臺中央,四、如果必須使用較高的光路,hao用直徑較大的鏡柱來支撐光學件。
桌腿氣浮隔振
系統(tǒng)穩(wěn)定性不只受高頻振動的影響,低頻振動的干擾同樣需要重視,尤其在系統(tǒng)組件的頻率附近。氣浮隔振腿的主要作用除了支撐,還體現在能有效削減傳遞到桌面的低頻地表振動。
與標準的實驗室工作臺相比,Newport氣浮隔振平臺對地面振動的傳遞率大幅下降
平臺安裝注意事項
設計隔振系統(tǒng)的后一步——在做出終訂購決定之前,還需要考慮復雜的安裝因素。
隔振平臺系統(tǒng)能不能運載到實驗室位置,是一定要慎重考慮的。與工程人員、同事、或裝配工一同走一遍安裝路線——接收點、電梯、走廊、門口甚至窗口(如果需要使用起重機),可以發(fā)現可能存在的物流問題,并對系統(tǒng)方案做出必要的修改。
其次需要注意的是實驗室的配套設備,包括電壓電流、照明、干燥氣體供應(用于支持維持系統(tǒng))以及空氣調節(jié)系統(tǒng)。如果缺乏清潔的干燥氣體,則需要使用高質量的空氣壓縮機。不潔或潮濕的氣體會ji大地影響氣浮隔振系統(tǒng),不合規(guī)定的電源會產生不必要的噪聲,乃至精密電子設備的浪涌。
后需要指出,安裝工作需要由購買過相應保險的專業(yè)人士使用正確的工具來完成,決不能出現十幾人抬起桌面讓其他數人移動桌腿的情況。地震多發(fā)區(qū)的實驗室設備選擇更需要考慮建筑物的防震需求。
總而言之,盡管當代的振動隔離系統(tǒng)已經ji大地提升了光電類應用的穩(wěn)定性,它們并非能解決所有問題的靈丹妙藥。光路穩(wěn)定性是由整個振動傳遞“結構回路”決定的,包括支撐結構、光機械件、光學元件和運動控制系統(tǒng)。綜合考慮振動環(huán)境、削減聲音的影響、移除平臺上和平臺附近不必要的振動來源、以及使用正確的隔振平臺安裝方法,都是提升隔振性能需要注意的事項。
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