光學(xué)平臺(tái)隔振注意事項(xiàng)

無論何種激光應(yīng)用，為維持光路穩(wěn)定，振動(dòng)隔離和桌面阻尼的重要性都是再強(qiáng)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(tái)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(jì)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，即使最完美的隔振方案也難以起到效果。

光學(xué)平臺(tái)最重要的作用是提供動(dòng)態(tài)剛度(Dynamic rigidity)。光路的穩(wěn)定性主要受桌面長軸方向上點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)影響。這些相對(duì)運(yùn)動(dòng)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(dòng)的最佳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(tái)盡管提供了相對(duì)穩(wěn)定的環(huán)境，但不能完全阻止來自桌面本身的振動(dòng)，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(tái)視作剛體，該剛體的固有振動(dòng)依然會(huì)觸發(fā)光學(xué)調(diào)整架的自然振動(dòng)，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(shí)驗(yàn)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(tái)表面模擬類似于桌面上的風(fēng)扇、電動(dòng)位移臺(tái)或其他聲學(xué)擾動(dòng)的寬帶噪聲。調(diào)整架的位移由一個(gè)不產(chǎn)生任何質(zhì)量效應(yīng)的激光測振儀來測量。實(shí)驗(yàn)使用了主動(dòng)阻尼光學(xué)平臺(tái)，同時(shí)測量結(jié)構(gòu)阻尼和主動(dòng)阻尼的運(yùn)動(dòng)，以便充分地體現(xiàn)阻尼桌面的減振效果。

典型實(shí)驗(yàn)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(tái)的阻尼性能。

對(duì)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(shí)會(huì)產(chǎn)生800 nm的位移。如果使用SmartTable和主動(dòng)阻尼，位移會(huì)降至10到20 nm（見上圖）。因?yàn)樵撓到y(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(shí)際實(shí)驗(yàn)時(shí)光學(xué)元件的固有頻率各不相同，但該結(jié)果確實(shí)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(gè)測試桌面作用力與調(diào)整架水平位移關(guān)系的模擬實(shí)驗(yàn)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(gè)質(zhì)量近似于普通調(diào)整架的加速度計(jì)，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(jìn)而得出作用力轉(zhuǎn)化為相對(duì)位移的關(guān)系方程。下圖可見，無論主動(dòng)阻尼開啟或關(guān)閉，鏡柱/鏡座在自然振動(dòng)模式下都會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)共振峰（紅色）。開啟主動(dòng)阻尼可以抑制桌面的固有振動(dòng)，但鏡柱/鏡座的自然振動(dòng)并不能被有效隔離。


上述實(shí)驗(yàn)不僅驗(yàn)證了桌面主動(dòng)阻尼的效果，同時(shí)也證實(shí)了光學(xué)元件的振動(dòng)對(duì)光路穩(wěn)定性存在影響。削減這些振動(dòng)的方式包括：一、盡可能降低光路高度，二、對(duì)靈敏度高的光學(xué)元件使用最穩(wěn)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(tái)中央，四、如果必須使用較高的光路，最好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(dòng)的影響，低頻振動(dòng)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(dòng)。

平臺(tái)安裝注意事項(xiàng)

設(shè)計(jì)隔振系統(tǒng)的最后一步——在做出最終訂購決定之前，還需要考慮復(fù)雜的安裝因素。

隔振平臺(tái)系統(tǒng)能不能運(yùn)載到實(shí)驗(yàn)室指定位置，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(diǎn)、電梯、走廊、門口甚至窗口（如果需要使用起重機(jī)），可以發(fā)現(xiàn)可能存在的物流問題，并對(duì)系統(tǒng)方案做出必要的修改。

其次需要注意的是實(shí)驗(yàn)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(jī)。不潔或潮濕的氣體會(huì)極大地影響氣浮隔振系統(tǒng)，不合規(guī)定的電源會(huì)產(chǎn)生不必要的噪聲，乃至精密電子設(shè)備的浪涌。

最后需要指出，安裝工作需要由購買過相應(yīng)保險(xiǎn)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(dòng)桌腿的情況。地震多發(fā)區(qū)的實(shí)驗(yàn)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(dòng)隔離系統(tǒng)已經(jīng)極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(gè)振動(dòng)傳遞“結(jié)構(gòu)回路”決定的，包括支撐結(jié)構(gòu)、光機(jī)械件、光學(xué)元件和運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。綜合考慮振動(dòng)環(huán)境、削減聲音的影響、移除平臺(tái)上和平臺(tái)附近不必要的振動(dòng)來源、以及使用正確的隔振平臺(tái)安裝方法，都是提升隔振性能需要注意的事項(xiàng)。