Оптические столы и плиты Thorlabs
Зачем нужен оптический стол?
При проведении исследований часто возникает необходимость в экспериментах или измерениях, которые требуют отсутствия вибраций. Однако, источники вибраций, такие как кондиционеры, тепловые насосы, авто- или ж/д транспорт создают неустранимый вибрационной шумовой фон, который неизбежно присутствует в окружающей среде. Оптические системы, состоящие, как правило, из множества компонентов, каждый из которых должен быть надежно установлен и точно отъюстирован, сильно подвержены влиянию вибраций, которые приводят к ухудшению характеристик системы.
Малые вибрации сильно затрудняют или делают вовсе невозможным проведение некоторых экспериментов. Например, многие эксперименты с использованием лазерного излучения требуют перетяжки лазерного пучка размером порядка нескольких микрон; если положение этого пятна оказывает влияние на качество работы системы (например, при использовании ионного лазера для накачки струйного лазера на красителе), то колебания с амплитудой порядка микрона неизбежно приведут к нежелательным эффектам. Так как видимое излучение имеет субмикронные длины волн, то эксперименты, основанные на интерференционных эффектах (включая голографию), также сложно провести в присутствии вибраций (даже если они обладают субмикронной амплитудой). Оптическая и/или механическая обработка или исследование полупроводниковых пластин также требуют высокой стабильности параметров системы. И наконец, если в эксперименте используются механические элементы, которые осуществляют перемещения, вращения или колебания, то необходимо изолировать эти компоненты, чтобы не допустить влияния их вибраций на остальные оптические элементы системы.
Рис.1 Оптический стол Thorlabs на опорах с виброизоляцией
Свойства оптического стола
Поверхность оптического стола, на которой крепятся элементы оптической системы (см. рис.1), должна удовлетворять нескольким базовым требованиям. Во-первых, она должна обеспечивать жесткое основание, на котором можно надежно закрепить, а затем юстировать оптические элементы. Это основание должно гарантировать долговременную стабильность закрепленной системы и отсутствие колебательных резонансов, обусловленных вибрациями. Поверхность стола должна не только подавлять колебания, вызванные моторизированными или просто движущимися частями оптической схемы, но и изолировать установку от влияния внешних вибраций в целом.
Если эти критерии не выполняются, то отдельные элементы системы или вся система в целом не сможет нормально функционировать. Ценные данные могут быть сильно искажены или неверно проанализированы из-за шума, внесенного вибрациями. А это в свою очередь может затормозить прогресс и привести к значительным затратам.
В целях предотвращения этих нежелательных эффектов, были разработаны несколько конструкций оптических столов и оптических плит Thorlabs. В идеале, оптический стол должен обладать жесткой и плоской верхней поверхностью, не будучи при этом чрезмерно массивным. Стол устанавливается на опоры с пневматической виброизоляцией, которые предотвращают воздействие на систему внешних вибраций. Раньше, столешницы делали из гранита, бетона, дерева, стали и различных композитов, чтобы улучшить характеристики, оставляя вес на приемлемом уровне. Хотя каждый из перечисленных материалов обладает своими преимуществами и недостатками, лучшие характеристики продемонстрировали столешницы из композитных материалов. Поэтому сегодня сотовая структура из плакированного металла, зажатая между плоскими пластинами (см. рис. 2), признана лучшей конструкцией для оптических столешниц и плит.
Рис. 2 Оптическая плита Nexus, поперечное сечение: (1) Верхняя пластина, (2) Нижняя пластина, (3) Боковые панели, (4) Продольные балки, (5) Внутренняя сотовая конструкция
Виброизоляция
Опоры и каркас с системой виброизоляции разработаны для устранения влияния внешних вибраций на оптический стол. Такие вибрации, как правило, обладают частотами в диапазоне от 4 до 100 Гц. Так как большая разность частот исключает возможность превращений энергии, компания Thorlabs разработала такую конструкцию столешниц, что их резонансные частоты намного превышают 100 Гц. Благодаря такой большой разнице резонансных частот, передача энергии между опорами и столешницей невозможна.
Совершенствование конструкции оптических столов продолжается и сегодня. Внедрение новых технологий и идей для улучшения характеристик данного вида продуктов сфокусировано в 3 главных областях:
- Использование технологии демпфирования;
- Разработка экономичных моделей высокого качества;
Опоры с горизонтальной виброизоляцией.
На основе новейших технологий была разработана линейка оптических столов и плит Nexus от компании Thorlabs. Столы данной серии доступны со столешницами толщиной 210 мм, 310 мм или 460 мм, а плиты – 60 мм или 110 мм. Компания Thorlabs также изготавливает оптические столы на заказ с уникальными характеристиками и габаритами. Каждая столешница может использоваться с различными опорами. Тип опоры выбирается в соответствии с необходимым уровнем изоляции системы: жесткие опоры (без виброизоляции), опоры с пневматической системой пассивной изоляции, или опоры с активной виброизоляцией.
Большинство серийно выпускаемых опор для оптических столов с активной виброизоляцией осуществляют амортизацию вертикального движения за счет воздушной системы, которая состоит из двух резервуаров, наполненных воздухом и разделённых апертурой. Такая система позволяет подавлять также и горизонтальные вибрации, однако такая виброизоляция является неэффективной. Активная система виброизоляции от компании Thorlabs оснащена маятниковым механизмом, который позволяет осуществлять эффективное демпфирование горизонтальных колебаний.
Производство оптических столов Nexus
Компания Thorlabs имеет более чем 25-летний опыт проектирования оптических столов, плит и соответствующих аксессуаров. Этот опыт используется для обеспечения того, чтобы сотовые оптические столы и столешницы Nexus® всегда отвечали двум основным целям проектирования: собственная резонансная частота стола должны быть как можно выше (значительно выше частоты вибраций окружающей среды), и оптический стол должен быть хорошо демпфирован (для быстрого гашения вибраций, вызванных оборудованием на поверхности стола). Для достижения этих целей наши инженеры используют различные инструменты для совершенствования своих конструкторских решений, такие как метод конечных элементов (МКЭ) и программу SolidWorks. МКЭ позволяет нашим инженерам оценивать различные материалы и выявлять возможные нежелательные нагрузки. SolidWorks используется для создания 3D-моделей каждого дизайна.
Каждый оптический стол и плита Nexus изотропны и симметричны по всем трем осям X, Y и Z. Для оптимальной термической стабильности при производстве используются только стальные компоненты; не используется древесина или пластик. Каждый стол включает в себя прецизионно обработанные верхние и нижние плиты, сотовую структуру из плакированного металла, зажатую между ними и четыре боковые панели с отделкой. Смотрите рисунки с упрощенной схемой конструкции столов. Подробнее о каждом шаге процесса производства читайте ниже.
Рис. 3 Сотовая структура стола Nexus при производстве
Прецизионная стальная конструкция для термической стабильности
Столы и столешницы Thorlabs Nexus имеют полностью стальную конструкцию, в том числе из стали изготовлены верхняя и нижняя плиты толщиной 5 мм, сотовая прецизионная структура внутри стола толщиной 0.26 мм. Внутренняя сотовая структура столешницы формируется с использованием высокоточных пресс-инструментов, а геометрический шаг сохраняется при использовании сварных плоских прокладок. Сотовая структура в столах и столешницах Nexus заполняет все пространство между верхней и нижней плитой, промежуточные слои отсутствуют, что приводит к более высокой жесткой и термостабильной конструкции.
Ключевым аспектом термоустойчивости столов Nexus является симметричная изотропная стальная конструкция по всем осям. Стальные компоненты расширяются и сжимаются одинаково, сохраняя плоскостность при изменении температуры. Стальной сердечник (сотовая структура) простирается от верхней к нижней плите столешницы без промежуточных пластиковых или алюминиевых систем для обеспечения безопасности при разливе каких-либо веществ, которые снижают общую жесткость продукта и обеспечивают более высокий коэффициент теплового расширения. Стальные боковые панели используются вместо древесных, так как деревянные компоненты восприимчивы к влаге и могут сделать систему восприимчивой к изменениям условий окружающей среды.
Машинная обработка поверхности и упаковка, минимизурующая повреждения
Автоматизированный процесс обработки поверхности
Столы и столешницы Nexus компании Thorlabs обладают матовой поверхностью, полученной путем автоматизированной механической обработки орбитальной шлифовальной машиной. Улучшенная обработка поверхности обеспечивает плоскостность ± 0.1 мм (± 0.004 дюйма) на 1 м2 (11 футов2). Скругленные углы с большим радиусом уменьшают остроту края для безопасности работы в лаборатории.
Упаковка из антистатического материала, герметично запечатанные края
Все оптические столы поставляются с термоусадочной пленкой, которая защищает стол от большинства загрязняющих веществ, таких как пыль, во время транспортировки. Для дополнительной защиты компания Thorlabs предлагает дополнительную услугу отделки и упаковки, которая подходит для клиентов, которые хотят минимизировать присутствие загрязняющих веществ на внутренних и наружных поверхностях стола или столешницы. Это включает в себя антистатический упаковочный материал, который имеет внутренний слой металлической фольги, защищенный наружной оболочкой термоусадочной пленки, и специальную конструкцию краевой панели без зазора для уменьшения статического заряда и предотвращения попадания пыли в продукт.
Монтажные отверстия и их расположение на поверхности стола
Резьбовые крепежные отверстия с зенкованием
Перед склеиванием компонентов стола в каждом монтажном отверстии на верхней поверхности нарезается резьба и оно слегка зенкуется для того, чтобы компоненты, установленные на столе, крепились без наклона. Монтажные отверстия затем очищаются и запечатываются на дне виниловыми пленочными дисками (негерметичные модели) или уплотнительными кольцами (с запечатанными отверстиями, см. «Герметичные монтажные отверстия» ниже). Виниловая пленка легко пробивается при первом использовании отверстия. Винты могут быть затянуты пальцами в монтажных отверстиях всех столов и столешниц Nexus. Сотовая сердцевина устанавливается таким образом, что она не пересекается с резьбовыми отверстиями.
Рис. 4 Схема, демонстрирующая расположение сотовой структуры и боковых панелей внутри стола Thorlabs
Уменьшенное расстояние от последнего ряда отверстий до края стола
Отверстия на верхней поверхности стола отстоят от края столешницы всего на 12.5 мм, что соответствует половине расстояния между центрами отверстий в столе. Это увеличивает площадь используемой поверхности и расширяет возможности для крепления различных элементов.
Герметичные монтажные отверстия
Столы и столешницы могут изготавливается с использованием нейлоновых вставок, приклеенных к нижней стороне верхней плиты (см. рисунок ниже) для предотвращения попадания жидкости в отверстия.
Рис. 5 Установка нейлоновых вставок в процессе производства
Монтажные отверстия на нижней панели столешницы
Оптические столешницы Thorlabs имеют по меньшей мере четыре монтажных отверстия в основании, что позволяет надежно закреплять стандартные или виброизолирующие ножки и обеспечивает большую гибкость для интеграции столешниц на столы или установки в дополнение к используемым столам.
Рис. 6 Резьба в столах оптических столешниц Nexus нарезается с помощью высокоскоростных сверлильных станков |
Рис. 7 Поверхности столов и столешниц Nexus шлифуются в специальных машинах |
Рис. 8 Элементы оптических столов и столешницы Nexus соединяются под давлением в горячем прессе
