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光學(xué)平臺隔振注意事項

無論何種激光應(yīng)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(diào)也不為過。

一套復(fù)雜的光學(xué)系統(tǒng)是否穩(wěn)定，在很大程度上取決于光學(xué)平臺和隔振腿的性能。隨著應(yīng)用的不斷豐富，光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計正變得愈發(fā)復(fù)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(xué)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(chǎn)生于桌面上搭建的設(shè)備、空氣調(diào)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(shè)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(xué)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(shè)備。

光學(xué)元件的形變是系統(tǒng)不穩(wěn)定的第二大來源。即使將光學(xué)平臺視作剛體，該剛體的固有振動依然會觸發(fā)光學(xué)調(diào)整架的自然振動，導(dǎo)致光路不穩(wěn)定。為了定量模擬光學(xué)調(diào)整架在典型實驗室環(huán)境中可能產(chǎn)生的位移，我們將1英寸調(diào)整架固定于6英寸鏡柱上，并在光學(xué)平臺表面模擬類似于桌面上的風(fēng)扇、電動位移臺或其他聲學(xué)擾動的寬帶噪聲。調(diào)整架的位移由一個不產(chǎn)生任何質(zhì)量效應(yīng)的激光測振儀來測量。實驗使用了SmartTable主動阻尼光學(xué)平臺，同時測量結(jié)構(gòu)阻尼和主動阻尼的運動，以便充分地體現(xiàn)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(xué)調(diào)整架的位移量，很大程度上取決于其所在光學(xué)平臺的阻尼性能。

ST系列SmartTable光學(xué)平臺通過鑲嵌于桌面結(jié)構(gòu)內(nèi)的振動傳感器和促動器，以及控制電路和算法實現(xiàn)了主動阻尼。

對于上述1英寸調(diào)整架和6英寸鏡柱的系統(tǒng)，調(diào)整架受激時會產(chǎn)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(diào)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(yīng)得到突顯。盡管實際實驗時光學(xué)元件的固有頻率各不相同，但該結(jié)果確實說明了光學(xué)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(diào)整架水平位移關(guān)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(zhì)量近似于普通調(diào)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(zhuǎn)化為相對位移的關(guān)系方程。下圖可見，無論主動阻尼開啟或關(guān)閉，鏡柱/鏡座在自然振動模式下都會產(chǎn)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(xué)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(xué)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(xué)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(xué)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(xiàn)在能有效削減傳遞到桌面的低頻地表振動。

與標(biāo)準(zhǔn)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(shè)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(fù)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(xiàn)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(shè)備，包括電壓電流、照明、干燥氣體供應(yīng)（用于支持維持系統(tǒng)）以及空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)。如果缺乏清潔的干燥氣體，則需要使用高質(zhì)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(chǎn)生不必要的噪聲，乃至精密電子設(shè)備的浪涌。

后需要指出，安裝工作需要由購買過相應(yīng)保險的專業(yè)人士使用正確的工具來完成，決不能出現(xiàn)十幾人抬起桌面讓其他數(shù)人移動桌腿的情況。地震多發(fā)區(qū)的實驗室設(shè)備選擇更需要考慮建筑物的防震需求。

總而言之，盡管當(dāng)代的振動隔離系統(tǒng)已經(jīng)ji大地提升了光電類應(yīng)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(jié)構(gòu)回路”決定的，包括支撐結(jié)構(gòu)、光機械件、光學(xué)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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