每个光子学实验室都主要由光学平台构成。复杂的光电系统需要光学平台具有刚度、阻尼、平整度、清洁度、螺纹孔阵列和均匀的热膨胀系数等特殊性能。但最重要的特征是它们能够提供极其安静和稳定的工作表面。
光学平台通过将极其坚硬的结构阻尼钢制蜂窝顶部与低频气动隔振支架相结合来隔离地面振动。这就形成了一个六自由度（DOF）质量-弹簧-阻尼系统，其中蜂窝顶部作为理想化的无限坚硬质量，而隔振支架则充当阻尼弹簧。
质量-弹簧-阻尼器具有一个典型的共振频率（fn），在该共振频率下它可以放大振动。在大约1.4×fn以上，它开始隔振，隔振滚降随着频率的增加而得到改善。共振时的放大和隔振斜率是隔振器阻尼系数的函数。典型的支架开始在3-4 Hz以上隔离地面振动。一个有效的顶部应非常坚硬，其第一弯曲模式高于100 Hz，模式通过安装在蜂窝结构内部的结构阻尼器得到有效的减振。
当共振频率高于100 Hz时，通过隔振器或其他路径到达顶部的振动在光电器件最敏感的临界频率范围内（即0.5至30 Hz）不会被放大。然而，减振并不是问题 - 相反，带叠放隔振支架的新光学平台设计通过隔离这些低频振动提高了这一临界区域的工作台稳定性，甚至可以进行最灵敏的多光子成像和单分子生物物理学研究。
减振与隔振
减振和隔振具有不同的特征，但通常被错误地互换使用。减振是机械能转换为热能，适用于桌面结构和隔振支架。到达隔振结构的能量必须消散（转换为热量）。内置于桌面结构中的质量-弹簧-阻尼器为顶部的第一弯曲模式（高于100 Hz）及以上的顶部弯曲提供阻尼。当光学平台系统受到干扰时，空气隔振器在其共振频率（1-3 Hz）处被激发。当空气隔振器中内置的孔、减振器和其他装置将这种能量转化为热量时，这种运动就会消散。
另一方面，隔振是通过隔振器支架中的机制来减少到达有效载荷的地面振动。内置于顶部的机电装置对顶部结构的主动阻尼应视为减振而非隔振，因为它不会阻止振动到达顶部，而是减少振动。
历史上，光学平台振动性能的改进主要集中于增加顶部的结构阻尼 - 以将采用钢制蜂窝技术实现的极高刚度重量比与较高的结构阻尼和极小的共振放大结合起来。
总的来说，这已经取得了成功，最好的顶部现在可以在其最低的共振频率下实现临界阻尼。在这一成功的基础上进行进一步改进会导致性能下降。直到最近，隔离顶部振动的隔振系统也没有多大进展。
低频隔振挑战
随着科学家和工程师试图在更小的尺度下进行测量和获得分辨率，光学平台应用对低频地面振动越来越敏感。在0.5-30 Hz范围内的这种振动即使是最硬和最佳阻尼的顶部也不能衰减。
在此频率范围内到达隔振表面的振动容易导致顶部的刚体运动。因此，为了有效地衰减该频率范围内的振动，必须阻止它到达顶部。最佳的隔振支架可在此频率范围内提供有限的隔振。它们通常由被动自动调平空气隔振器组成，具有低垂直和水平共振频率，可放大1-4 Hz范围内的地面振动，并在4 Hz以上开始隔振。
主动反馈控制技术已应用于光学平台隔振支架上以改善低频隔振。“主动”一词在工业术语中被广泛地用于描述各种控制系统，其中包括简单的反馈机制，如空气隔振器通过与压力调节器和机械连杆相结合而实现的机械自调平。
为清楚起见，当我们提到“主动”时，我们特别指的是惯性反馈主动系统，其中来自惯性传感器（例如地震检波器或加速度计（分别测量速度或加速度））的信号被调节、放大并最终用于闭环反馈，以通过机电或其他类型的致动器消除不必要的振动。
惯性反馈主动系统
并联和串联型主动振动控制系统如图所示，其中支撑弹簧和消振致动器以并联或串联方式连接
惯性反馈主动系统的第一个实施例是并联型配置，其中惯性传感器安装在隔振表面上，消振致动器与支撑隔振表面的弹簧（空气隔振器支撑件）以并联方式安装。该方法可以有效地抑制支撑空气隔振器在1-4 Hz范围内的共振放大。
然而，用这种方法在宽带宽上进行隔振遇到了困难，因为传感器不能区分顶部的刚体运动和隔振有效载荷上结构的共振。控制系统将尝试消除这两种振动，从而导致系统不稳定。而折衷方案是限制此类系统的带宽 <8 Hz, effectively suppressing resonant amplification of the air isolators and improving stability, it does little to improve vibration isolation over the broad 0.5-30 Hz range.>
使用串行型配置开发了另一种方法。这里，支撑弹簧与消振致动器串联放置。传感器安装在一个超硬的内部质量上，该质量通过一个坚硬的15-20 Hz弹簧来支撑有效载荷。致动器将内部质量支撑到地面。
采用这种方法，不能使用直线电机和其他常规的致动器，因为串行型配置的致动器必须支撑顶部的静态重量。但是，压电致动器技术的发展使压电方法成为串行型配置的理想选择，因为它们现在可以设计为支撑较大的静态质量，并且对极低位移具有出色的响应特性。
在本实施例中，地面振动通过刚性致动器传递时，在内部质量处被感测。当致动器“过滤”地面噪声以防其到达内部质量时，反馈回路在内部质量处闭合。也就是说，当地面向上移动时，致动器收缩；当地面向下移动时，它们会膨胀。
三轴设计将此控制行为扩展到所有六个DOF。这样的系统本质上非常稳定，因为有效载荷共振通过刚性弹簧过滤以防到达内部质量，并且传感器被安装到可被设计成实现所需高刚度的内部质量上 - > 1000 Hz。因此，增益设置可以主动进行，高达150 Hz的带宽可频繁达到，从而实现了非常高的减振水平，几乎没有不稳定的风险。
这种方法在低频时特别有效，与1-3 Hz范围内的主动空气隔振器相比，可实现高达两个数量级的改进。此外，硬安装支架提供了附带好处，它可保持有效载荷相对于板外光束源的位置稳定性，这对于软空气支撑是不切实际的。
尽管串行型方法在极低频率下提供了显著的改进，但在较高频率下却几乎没有什么好处。由于被动支撑弹簧比传统的被动空气弹簧硬得多，因此在较高频率下隔振较少。在10-30 Hz范围内，串行型主动系统不能提供比被动自调平空气隔振支架更好的减振效果。
用于>10 Hz隔振的堆叠系统
科学家们一直在寻找更具创新性的解决方案，他们通过将一个串行型主动系统置于被动空气隔振器下对堆叠系统进行了实验。由于传递函数具有累加性，因此这种系统可提供每个子系统的组合隔振效果。
实际上，这种方法提供了两个隔振阶段：一个是主动阶段，一个是被动阶段。例如，如果在10 Hz时主动减振30 dB以及在10 Hz时被动减振30 dB，那么10 Hz时的总减振为60 dB。由于串行型架构是一种主动硬安装方式，因此可以堆叠，而不会出现隔振系统之间不稳定或串扰的风险。15-20 Hz硬安装弹簧比2 Hz被动空气弹簧硬得多，可实现足够的阻抗失配，确保稳定性。
遗憾的是，这种自己动手的堆叠系统方法既不方便又麻烦。一个更好的方法是集成的、两级被动-主动隔振系统。这样的系统现在已经商业化，具有六自由度性能，可提供两者的优点：来自固有稳定架构的主动低频消振，具有两级隔振，因为空气隔振器和压电隔振器的减振可相互累加。
研究人员试图通过在主动硬安装支架上叠放被动光学平台隔振器来提高性能
LaserTable-Base可在宽频率范围内提供多20-30 dB的隔振
一些最敏感的应用（包括单分子生物物理学、多光子成像、原子力显微镜、共聚焦显微镜以及需要亚纳米甚至亚埃分辨率的大样本干涉研究）正在采用被动-主动系统。随着分辨率的要求越来越高，隔振技术的快速发展确保了地面振动不会成为关键的限制因素。
本文发表于LaserFocusWorld
作者：TMC部门副总裁Steve Ryan
回到顶部^
Download PDF Version
<< Back to White Paper List