Кинематические держатели зеркал Polaris®

Кинематические держатели зеркал Polaris® с пьезоэлектрическими регуляторами – идеальное решение для приложений, требующих строгой, активно контролируемой и долговременной точности выравнивания пучка.

Несколько общих факторов обычно приводят к смещению пучка в оптической установке. К ним относятся вызванный температурой гистерезис положения зеркала, перекрестные помехи, отклонения и люфт. Держатели зеркал Polaris разработаны специально для минимизации этих факторов смещения и, таким образом, обеспечивают чрезвычайно стабильную работу. Часы обширных исследований, многократные попытки в проектировании с использованием сложных инструментов проектирования и месяцы тщательного тестирования ушли на выбор лучших компонентов, чтобы обеспечить идеальное решение для экспериментов, требующих сверхстабильной работы от кинематического держателя зеркала.

Конструкция держателя Polaris. В POLARIS-K05P2 используется комбинация гибкой пружины и установочного винта вместо показанного здесь монолитного удерживающего рычага.

Тепловой гистерезис

Температура в большинстве лабораторий непостоянна из-за таких факторов, как кондиционирование воздуха, количество людей в помещении и рабочее состояние оборудования. Таким образом, необходимо, чтобы все держатели, используемые в оптической установке, чувствительной к юстировке, были сконструированы таким образом, чтобы свести к минимуму любые тепловые эффекты юстировки. Тепловые эффекты можно свести к минимуму, выбрав материалы с низким коэффициентом теплового расширения (КТР), такие как нержавеющая сталь. Однако даже держатели из материала с низким КТР обычно не возвращают зеркало в исходное положение при восстановлении исходной температуры. Все важные компоненты держателей для зеркал Polaris проходят термообработку перед сборкой, так как этот процесс устраняет внутренние напряжения, которые могут вызвать гистерезис, зависящий от температуры. В результате юстировка оптической системы будет восстановлена ​​при возвращении температуры держателя зеркала к исходной температуре.

Способ крепления зеркала в держателе – еще один важный конструктивный фактор. Держатели Polaris обеспечивают превосходную производительность без использования клея. Вместо этого они используют монолитный удерживающий рычаг или гибкую пружину, которая прижимается к краю зеркала с помощью установочного винта. Установочные винты, используемые сами по себе для удержания оптики, имеют тенденцию двигаться при изменении температуры. Напротив, удерживающая сила, обеспечиваемая конструкцией Polaris, достаточна, чтобы удерживать зеркало на месте независимо от температуры окружающей среды.

Перекрестные помехи

Перекрёстные помехи сводятся к минимуму за счёт тщательного контроля допусков на размеры передней и задней пластин держателя, чтобы приводы тангажа и рыскания были ортогональны. Кроме того, во всех трех контактных точках используются сапфировые седла. Стандартные точки контакта привода металл-металл со временем изнашиваются. Полированные сапфировые седла держателей Polaris в сочетании с наконечниками привода из закаленной нержавеющей стали сохраняют целостность контактных поверхностей с течением времени.

Сдвиг и люфт

Чтобы свести к минимуму позиционный сдвиг держателя зеркала и люфт, необходимо ограничить величину зазора в регуляторе, а также количество используемой смазки. При регулировке привода смазка будет выдавливаться из одних пространств и скапливаться в других. Это неравное распределение смазки будет медленно возвращаться исходное состояние. Однако при этом может сместиться положение передней пластины держателя. В держателях Polaris используются регуляторы, подогнанные к корпусу, которые превосходят все отраслевые стандарты и поэтому требуют очень мало смазки. В результате выравнивание держателей Polaris остается чрезвычайно стабильным даже после регулировки. Кроме того, эти регуляторы работают плавно, что позволяет пользователю выполнять небольшие повторяющиеся регулировки.

Интегрированные пьезоэлектрические блоки

Каждый регулировочный винт включает в себя пьезоэлектрический блок внутри корпуса привода, расположенный непосредственно за наконечником. Эта встроенная конструкция сводит к минимуму количество точек контакта с шариками, уменьшает количество движущихся частей и гарантирует, что низкие перекрестные помехи, обеспечиваемые прецизионно обработанными компонентами, не окажут влияния. Независимо от того, перемещаются ли они вручную или с помощью пьезоэлектрического блока, регуляторы используют одни и те же точки контакта сапфира и закаленной стали, чтобы обеспечить точное движение в течение всего срока службы держателя.

Совместимость с вакуумными средами

Каждый компонент был тщательно отобран для обеспечения работы в вакууме. Эпоксидная смола, используемая для приклеивания сапфировых седел, запекается с использованием одобренной НАСА процедуры с низким выделением газов. Смазка DuPont LVP (Krytox), совместимая со сверхвысоким вакуумом, с низким выделением газов из ПТФЭ, используется с регуляторами. Пьезоэлектрический блок покрыт тонким акриловым материалом с низким содержанием растворителя, который поддерживает вакуум до 10^-5 торр. Для пьезоразъема был выбран выбрали ПТФЭ, негигроскопичный пластик, в качестве изолирующего слоя. Все электрические контакты выполнены низкофлюсовым припоем, флюс выгорает в процессе пайки.

Держатель зеркал Polaris® в системе стабилизации пучка

Активная стабилизация пучка часто используется для компенсации непреднамеренных отклонений наведения пучка в экспериментальных установках. Отклонение может быть вызвано ненадежно установленной оптикой, нестабильностью лазерного источника и тепловыми флуктуациями в оптомеханической установке. В дополнение к исправлению ошибок настройки активная стабилизация часто используется в лазерных резонаторах для поддержания высокой выходной мощности или используется на оптическом столе, чтобы гарантировать, что длительные измерения будут проводиться в условиях постоянного освещения. Установки с длинными оптическими путями также выигрывают от активной стабилизации, так как небольшие угловые отклонения на длинном пути приведут к значительным смещениям вниз.

Кинематический держатель зеркал Polaris как часть замкнутой системы

Пример системы стабилизации пучка показан на схеме. Светоделитель, поставленный на оптическом пути пучка, посылает часть пучка на датчик положения, который отслеживает его смещение относительно центра детектора. (Для оптимальной стабилизации светоделитель должен располагаться как можно ближе к месту измерения.) Детектор положения выдает сигнал ошибки по осям X и Y, который пропорционален положению пучка. Каждый сигнал ошибки подается в канал пьезоэлектрического контроллера, который направляет пучок обратно в центр датчика.

Показанная здесь установка стабилизирует пучок в точке в пространстве. Чтобы стабилизировать пучок на всем пути (т. е. в двух точках в пространстве), требуются два пьезоэлектрических держателя зеркал, а также соответствующая электроника. Предлагаемая электроника для системы стабилизации пучка приведена в таблице ниже.

Электроника для системы стабилизации пучка:

Примечания:

a. Для каждой независимо управляемой оси требуется один контроллер.

b. Требуется переходник с BNC на SMC.

Несмотря на теплове изменения и вибрации кинематические держатели зеркал Polaris рассчитаны на долгие годы использования. Ниже приведены некоторые советы по использованию, которые помогут обеспечить оптимальную производительность крепления.

Основные советы по использованию держателей

Подходящие материалы

Из-за относительно низкого коэффициента теплового расширения в качестве материала для изготовления держателя Polaris была выбрана нержавеющая сталь. При монтаже рекомендуется использовать компоненты, изготовленные из того же материала.

Использование широких стержней

Производительность держателей оптимизирована для использования со стержнями Ø1" для держателей Polaris. Эти стержни изготовлены из термообработанной нержавеющей стали и обеспечивают контакт с креплением в двух плоскостях, что помогает ограничивать нижнюю часть держателя при изменении окружающих условий температуры, тем самым сводя к минимуму потенциальные проблемы с выравниванием.

Оптический монтаж

Поскольку оптика подвержена смещению в пределах монтажного отверстия, вся оптика должна устанавливаться так, чтобы держатель Polaris был вне системы, чтобы обеспечить точную установку и свести к минимуму эффекты несоосности. Рекомендуется использовать динамометрический ключ при установке оптики в держателе Polaris. Чрезмерное затягивание фиксатора оптики может привести к значительным искажениям поверхности. На графике ниже показаны искажения поверхности, возникающие в результате увеличения значения крутящего момента, создаваемого динамометрическим ключом TD24 для передней панели, используемой в POLARIS-K1S3P и POLARIS-K1S2P с установленным на ней зеркалом BB1-E02 диаметром 1" и толщиной 6 мм. Тест был остановлен, как только искажение превышало 0.2λ.

Оптическое искажение зеркала BB1-E02, установленного в держатель Polaris диаметром 1". При нулевом крутящем моменте плоскостность образца зеркала составляла λ/10 на чистой апертуре (λ = 633 нм). Заштрихованная область указывает рекомендуемую величину крутящего момента.

Положение передней пластины

Для достижения наилучших результатов рекомендуется располагать переднюю пластину как можно ближе к задней пластине. Это обеспечивает высочайшую стабильность регулировки.

Установка как можно ближе к поверхности стола

Чтобы свести к минимуму влияние вибраций и изменений температуры, рекомендуется, чтобы система имела как можно более низкий профиль. Использование коротких стоек уменьшит смещение оси Y, вызванное колебаниями температуры, и сведет к минимуму любые перемещения, вызванные вибрациями.

Полирование и очистка точек соприкосновения

Настоятельно рекомендуется, чтобы точки контакта между держателем и стержнем, а также стержнем и столом были чистыми, без царапин или дефектов. Для достижения наилучших результатов можно использовать полировальный камень для очистки поверхности стола и полировочной бумаги (LF1P) для верхней и нижней части стержня, а также для нижней части держателя.

Советы по использованию пьезоэлементов

Отключение неиспользуемых каналов

Если активная стабилизация данной оси не нужна, то неиспользуемую ось подключать к пьезоконтроллеру не нужно. Любой шум в электрическом соединении может вызвать нежелательное движение пучка.

Подключение кабелей только при отключенном питании

Пьезоэлектрические батареи могут быть необратимо повреждены резкими изменениями приложенного напряжения. Во избежание такого повреждения перед подключением кабеля SMB следует убедиться, что питание отключено.

Использование плавной смены шагов напряжения

Резкая зарядка или разрядка пьезоэлектрического привода может привести к необратимому повреждению пьезоэлемента.

Использование в пределах диапазона управляющего напряжения 0 - 150 В

Применение напряжения ниже 0 В (отрицательное напряжение) или выше 150 В может привести к необратимому повреждению пьезоэлемента.

Аккуратное обращение

Пьезоэлектрические элементы представляют собой керамические материалы и поэтому они относительно хрупкие по сравнению с обычной оптомеханикой. Следовательно, они чувствительны к ударным силам. Нельзя ронять держатель и помещать его в коробку без защитной прокладки.

Не рекомендуется

Специалисты Thorlabs не рекомендуют вынимать регуляторы из задней пластины, так как это может привести к загрязнению резьбы. Это может значительно снизить производительность точной настройки. Кроме того, нельзя тянуть за переднюю пластину, так как это может растянуть пружины за пределы их рабочего диапазона, треснуть сапфировое седло или сломать пьезоэлектрические блоки. Наконец, нельзя перетягивать крепежные винты, которыми крепится плоская пружина, удерживающая оптику на месте, требуется лишь небольшое усилие, чтобы зафиксировать оптику на месте.