Конструкция оптических столов Thorlabs
Цели конструирования
При разработке оптических столов Thorlabs преследуются две основные цели: естественные резонансы стола должны быть как можно более высокими и стол должен быть хорошо демпфирован. Преимущество разработки стола с резонансами как можно более высокой частоты состоит в том, что амплитуда колебаний пропорциональна 1/cf на пике резонанса. Увеличение частоты резонанса требует увеличения жесткости и / или уменьшения массы оптического стола. Чтобы свести к минимуму продолжительность и амплитуду колебаний, которые действительно возникают на столе, в него могут быть встроены дополнительные механизмы демпфирования.
Колебания столешницы
Для типичной прямоугольной столешницы колебания с самой низкой частотой (в порядке от самой низкой до самой высокой частоты) – это длинные, крутильные и короткие изгибные моды. На рисунке эти режимы изгиба проиллюстрированы вместе с первым обертоном длительного режима изгиба (обозначенного как 2-й длинный режим изгиба). Каждый из этих независимых режимов имеет характеристическую резонансную частоту, которая дает соответствующий пик на кривой податливости. Следовательно, чтобы избежать каких-либо резонансных эффектов от индуцированных колебаний пола или поверхности стола, резонансные частоты стола должны находиться на частотах, превышающих частоту колебаний, создаваемых источниками поблизости от стола.
Колебательные режимы оптического стола
В дополнение к первой длинной, крутильной и короткой модам изгиба существует серия обертонов (т. е. резонансы более высокой частоты), которые отвечают за серию пиков на кривой податливости, которые возникают на более высоких частотах, чем первая частота изгиба. Различные колебательные моды имеют точки смещения максимальной амплитуды (пучности) и точки смещения минимальной амплитуды (узлы) в разных местах на столе. Ясно, что с возможностью одновременного возбуждения нескольких колебательных мод результирующая податливость оптического стола является сложной функцией, которая будет значительно варьироваться по поверхности стола.
Кривая соответствия оптического стола резонансу из-за первого режима изгиба стола
Материалы столешницы
Три основных требования к оптической столешнице:
- Хорошая статическая жесткость;
- Малая масса, чтобы не было низкочастотных (<100 Гц) резонансов. Низкочастотные резонансы имеют большие амплитуды, и большая часть лабораторных фоновых вибрационных шумов возникает на низких частотах;
- Хорошо демпфированная конструкция.
В течение многих лет ученые проводили тонкие оптические эксперименты на самодельных столах, которые обычно были довольно массивными. Эти оптические столы были построены из гранита, бетона, дерева, стали и многих сложных композитных конструкций в попытках улучшить характеристики, сохраняя при этом вес на реалистичном уровне. У каждого из этих материалов есть свои достоинства и недостатки. Недостатки гранита и бетона в том, что плиты имеют свойство поглощать водяной пар, что приводит к их деформации. У стали есть два явных недостатка: высокая плотность и склонность резонировать на нескольких частотах колебаний с очень небольшим естественным демпфированием. Характеристики древесины на удивление хороши; однако она имеет тенденцию к деформации со временем и / или под воздействием влаги.
В конце концов, лучший материал для использования в конструкции оптического стола – это композит (то есть некоторая матрица материалов, которая сочетает в себе жесткость, присущую чистому металлу, демпфирование, присущее резине, и низкую плотность, как у древесины). Большинство современных оптических столов изготавливаются из прочных стальных или алюминиевых пластин, разделенных внутренней ячеечной структурой, которая обычно изготавливается из стали. Пластины обеспечивают жесткую плоскую рабочую поверхность, а внутренняя структура значительно увеличивает динамическую жесткость оптического стола без значительного увеличения массы оптического стола. Сотовая структура естественным образом гасит вибрации стола; однако оптические столы, используемые в экспериментах, чувствительных к вибрациям, обычно включают дополнительные внутренние механизмы демпфирования, которые специально подавляют резонансы на самой низкой частоте оптического стола.
Жесткость полых и твердых конструкций
Рассмотрен сплошной стержень из однородного материала, например из стали. Если этот стержень изгибается, то верхний край растягивается, а нижний край сжимается, в то время как сердечник стержня относительно не подвержен этой деформации. Следовательно, возвращающая сила в первую очередь связана с краями стержня. В результате полый стержень будет почти так же устойчив к этому типу деформации, как сплошной стержень. Следовательно, прочность конструкции зависит не только от материала конструктивных элементов, но также от их формы и положения. Эту идею можно дополнительно продемонстрировать, рассмотрев, как двутавровая балка реагирует на ту же изгибающую силу, которая была приложена к сплошному стержню, описанному выше. Под нагрузкой верхний фланец находится в состоянии растяжения, а нижний фланец – в состоянии сжатия, но на нейтральной оси (обозначенной «n.a.» на рисунке) напряжение равно нулю. Фланцы несут напряжения изгиба, а перегородка сопротивляется силам сдвига. Чем дальше друг от друга фланцы, тем меньше прогиб для данной нагрузки; т.е. тем выше жесткость. Поэтому при проектировании оптического стола важно учитывать форму конструкции.
Трубы и двутавровые балки имеют большое отношение жесткость / масса
Конструкция оптического стола
Полый стальной стол будет очень жестким для своей массы, потому что боковые, верхняя и нижняя пластины будут действовать как удлиненная двутавровая балка. Однако эта конструкция будет иметь тенденцию к звону из-за отсутствия демпфирования, а также провисать посередине в условиях большой нагрузки. По этим причинам оптические столы не полые; вместо этого они заполнены материалом, который увеличивает демпфирование оптического стола и его жесткость в вертикальном направлении. Внутренняя структура добавляет эти свойства оптическому столу, не делая оптический стол слишком массивным. В качестве материалов, образовывающих структуру, использовались сталь, алюминий, фенол, графит, кевлар и даже древесная масса.
Теория ячеистой структуры
Если бы внутренняя опорная конструкция состояла из плоскостей параллельных стальных листов, прикрепленных к верхней и нижней твердым стальным пластинам, это фактически превратило бы стол в серию двутавровых балок, ориентированных вдоль длинного направления стальных листов. Такая геометрия резко увеличит жесткость стола в этом направлении из-за формы двутавровой балки, как обсуждалось выше. Чтобы создать эту двутавровую конструкцию по двум осям, плоские листы могли бы быть соединены друг с другом. На этом этапе стол будет наиболее подвержен изгибу в плоскости под углом 45° по отношению к любой из плоскостей параллельных листов, что означает, что сопротивление стола изгибу при кручении существенно не улучшилось.
Следовательно, чтобы противостоять длинным, коротким и крутильным режимам изгиба, листы в конструкции должны быть ориентированы под промежуточными углами. Недостатком стратегии продолжения добавления параллельных плоскостей листов под промежуточными углами является то, что каждый набор листов увеличивает массу стола. Если идея добавления новых наборов параллельных плоскостей будет продвигаться вперед, полученный оптический стол будет просто твердым стальным объектом с большой массой и очень маленькими естественными механизмами демпфирования. Наиболее практичным решением проблемы легкой конструкции, обеспечивающей жесткость в нескольких плоскостях, является создание конструкции с гексагональной или синусоидальной ячеистой структурой. Шестиугольную структуру легко изготовить путем обжима листов, и она уменьшает максимальный угол от плоскости, поддерживаемой структурой, до 30° без значительного увеличения веса стола.
Плоскости жесткости
Металлические ячейки
Все стандартные столы, производимые Thorlabs, состоят из многослойной конструкции, состоящей из толстых стальных верхней и нижней пластин с металлической ячеистой сердцевиной. Они изготавливаются из полосок стали, гофрированной с высокой точностью, которые затем склеиваются между собой высокопрочным эпоксидным клеем.
Связующие материалы
Структурная целостность композитного оптического стола чрезвычайно важна для его рабочих характеристик. В результате Thorlabs использует метод горячего прессования и модифицированный структурный эпоксидный клей для приклеивания ячеек к стальным пластинам; затем клей отверждается в вакууме в течение 18 часов. Это приводит к соединению между различными частями композитной структуры, которое имеет высокую прочность на разрыв, а также чрезвычайно высокую прочность на сдвиг и отслаивание.
Методы демпфирования
Теоретически резонирующая конструкция без демпфирования имеет бесконечно высокий пик податливости на собственной частоте. Системы демпфирования подавляют эти пики обычно путем преобразования энергии вибрации в тепло, что приводит к быстрому уменьшению амплитуды до нуля.
Оборудование, установленное на столешнице, может быть основным источником вибрации (например, разбалансированное лезвие измельчителя). После того, как стол установлен на пневматических изоляторах, любые вибрации сверху не передаются через опоры, что позволило бы им рассеяться в земле. Следовательно, эти колебания должны подавляться внутренним демпфированием стола.
Демпфирование оптического стола возникает из нескольких источников. Сами материалы обладают естественным демпфированием, особенно в случае металлических ячеек. Изготовление стола с самыми современными характеристиками, подходящего для самых требовательных приложений, требует дополнительного демпфирования. В Thorlabs дополнительный демпфирующий механизм предполагает размещение демпферов в главных точках в центре стола. Эти демпферы представляют собой куски неоднородного материала особой формы, которые действуют так, как будто они содержат спектр масс, разделенных непрерывным спектром расстояний в эластомерном полимере. Эффект впечатляет, значительно уменьшая высоту пиков податливости низкочастотного резонанса, иногда более чем на порядок.
Плоскостность поверхности
Плоскостность столешницы критически важна во многих экспериментальных установках. Если поверхность оптического стола не плоская, высота компонента будет изменяться по мере того, как он перемещается в разные положения на оптическом столе, и существует вероятность колебания компонентов с плоским основанием при размещении на оптическом столе. Оптические столы Thorlabs чрезвычайно плоские из-за высокоточных магнитных пластин из нержавеющей стали, используемых в качестве монтажной поверхности. С каждой пластиной обращаются особым образом, чтобы обеспечить ее превосходную плоскостность на протяжении всего производственного процесса.
Теплоизолированная конструкция
Оптические столы Thorlabs имеют соответствующие магнитные пластины из нержавеющей стали на верхней и нижней поверхностях стола. Такая конструкция сводит к минимуму термическое напряжение и искривление оптического стола.
Оценка производительности
Производительность оптического стола количественно определяется его соответствием. Соответствие таблиц Thorlabs измеряется с помощью анализатора динамических сигналов.
Оценка производительности оптического стола
Процедура оценки соответствия
Импульсный молоток используется для приложения измеренной силы к верхней поверхности стола или макета, а акселерометры, прикрепленные к поверхности, обнаруживают возникающие в результате вибрации. Сигналы от акселерометров интерпретируются анализатором и используются для получения спектра частотной характеристики (т. е. кривой соответствия). На этапе разработки оптического стола кривые соответствия записываются во многих точках на поверхности стола; однако податливость всегда наибольшая на углах. Кривые соответствия и данные, опубликованные Thorlabs, получены с датчиком, расположенным примерно в 6 дюймах (150 мм) от угла поверхности стола (ближе к краю для небольших макетов), с точкой удара непосредственно внутри датчика.
Сертификат уникальных тестовых данных
Каждый из оптических столов и макетов компании Thorlabs тестируется и поставляется с уникальным сертификатом данных испытаний и кривой соответствия. Это обеспечивает более точные данные по сравнению с отраслевым стандартом использования единой кривой соответствия для конкретного размера для представления всей линейки продуктов. Кривые соответствия и данные, опубликованные Thorlabs, получены от датчиков, расположенных в углу таблицы, и поэтому представляют собой данные для наихудшего случая.
Итог:
- Оптический стол должен иметь жесткую конструкцию с малой массой;
- Характеристики податливости оптического стола должны быть как можно ближе к характеристикам идеального твердого тела;
- Резонансы стола должны быть смещены на как можно более высокую частоту, чтобы свести к минимуму количество стандартных источников колебаний, которые производят колебания на резонансной частоте;
- Стол должен иметь внутренние механизмы демпфирования, которые сводят к минимуму податливость стола на резонансных частотах и гасят все колебания в кратчайшие сроки. Характерное время затухания называется затуханием импульса и обычно указывается в миллисекундах.
