Оптическая линия задержки
Оптическая линия задержки (ОЗЛ) - является важной частью динамических и спектроскопических экспериментов, связанных с временным разрешением. Идеологически линия задержки состоит из зеркал или ретро-рефлекторов, расположенных на линейном трансляторе. Важной частью построения ОЗЛ является выбор линейного транслятора и контроллера управления, поскольку они сильно влияют на получаемые данные и их последующий анализ. В этой статье рассмотрены ключевые моменты управления движением, а именно: повторяемость, инкрементное движение, точность перемещения, погрешности при производстве механических элементов, влияющие на измерения с временным разрешением.
Важным параметром линейного транслятора, является полная задержка, необходимая для ОЗЛ. Полная задержка (Т) – время, необходимое свету для прохождения к светоотражающей оптике и обратного пути, связана с диапазоном перемещения линейного транслятора (L). Полная задержка Т = T=2*L/c, где c- скорость света в вакууме.
Вторым параметром ОЗЛ является разрешение задержки (Δτ), которое связано с минимальным инкрементным движением (MIM) линейного транслятора. Разрешение задержки можно получить по следующей формуле Δτ=2*MIM/c. Важно понимать разницу между MIM и разрешением системы, MIM - это минимальное инкрементное движение, которое может обеспечить транслятор. Разрешение системы – это наименьшее значение отображения контроллера или минимальное приращение кодера, разрешение системы зависит от конструктивных особенностей системы.
Нужно отметить, что для ОЗЛ так же важна высокая повторяемость транслятора. Повторяемость – это способность транслятора (или системы), обеспечивать точное попадание в стартовую точку в течении периода времени. В нормальном измерении с временным разрешением линейный транслятор перемещается на определенное расстояние, что соответствует определенной временной задержке, сигнал от образца регистрируется, как функция временной задержки. В зависимости от получаемого сигнала и расчетного отношения сигнал/шум среднее значение перемещений является числовым показателем, который используется при измерениях с временным разрешением. Для ОЗЛ важно, чтобы линейный транслятор имел высокую повторяемость для получения сигнала. В зависимости от типа перемещения, это может быть линейное перемещение или перемещение с заданным циклом, параметры однонаправленной и двунаправленной стабильности играют важную роль. Однонаправленная повторяемость – повторяемость в одном направлении. Двунаправленная повторяемость – повторяемость в прямом и обратном направлениях.
Выбор линий задержки для оптических измерений с временным разрешением
Иллюстрация Ошибок тангажа, рыскания и крена (А), ошибки Аббе (Б)
Важным фактором при выборе ОЗЛ является биения (линейные и угловые) линейного транслятора. Линейное биение, которое состоит из плоскостности и прямолинейности, представляет собой отклонение от идеального прямолинейного движения и перпендикулярны направлению движения в горизонтальной и вертикальной плоскостях. Тангаж и рыскание – это вращение вокруг оси, перпендикулярной линейному движению (перпендикулярно направлению движения) в горизонтальной и вертикальной плоскостях. Крен – это вращение вокруг оси в направлении движения.
Ошибки биения транслятора являются весомым фактором, так как они являются показателем того, как сохраняется пространственное перекрытие при смещении временного перекрытия. Ошибки тангаж и рыскания становятся еще более критичными в конфигурациях, где образец, на котором луч должен перекрываться, находится далеко от линейного транслятора.
Применения
Для 2D-спектроскопии, где сигналы во временной области являются Фурье Преобразованием для получения осей частотной области, требуется более одного линейного транслятора, чтобы получить частоту в двух осях. В электронной и колебательной 2D-спектроскопии последовательность импульсов состоит из трех импульсов и так называемого локального генератора для восстановления фазы излучаемого сигнала в согласованном по фазе направлении. Временная точность импульсных последовательностей имеет первостепенное значение, поскольку она приводит к уменьшению силы обнаруженного сигнала и искажение формы линии. Важным параметром транслятора для этого типа применения является точность. Точность транслятора - это степень соответствия задаваемого положения реальному. Точность транслятора зависит от приводного качества изготовления комплектующих (шагового винта, шарикоподшипников, ременной передачи или линейного двигателя) и обратной связи.
Трансляторы на основе шаговых винтов и шарикоподшипников обеспечивают хорошую МIM, но имеют низкую точностью, так как они в основном используются в конфигурации с разомкнутым контуром, где отсутствует обратная связь по положению. В тех случаях, когда имеется обратная связь, обычно используется поворотный энкодер на конце двигателя. Также ошибки теплового расширения обусловлены изменениями температуры окружающей среды или индуцированным теплом (от трения снижается точность).
Системы, основанные двигателем с прямым приводом (линейным двигателем), в отличие от системы с шаговым двигателем не имеют люфта, поскольку линейный подшипник является единственной точкой трения. Также, в этих системах используются линейные энкодеры (в отличие от роторных энкодеров с винтовыми ступенями), которые минимизируют погрешности теплового расширения, а также кумулятивные и периодические погрешности, присущие свинцовым и шариковым винтам. Расположение энкодера влияет на точность движения системы. Чем ближе устройство обратной связи к контролируемому объекту, тем эффективнее будет достижение требуемого положения. Поворотный энкодер крепится к шаговому винту или шарикоподшипнику, что исключает ошибки из-за намотки ремня, шестерни, муфты или люфта, но выход конечного положения зависит от точности шагового винта или шарикоподшипника. Линейная шкала энкодера устанавливается непосредственно к каретке переводной ступени, а положение каретки. Влияние механических ограничений на производительность трансляторов может быть дополнительно сведена к минимуму с помощью различных методов программной компенсации ошибок.
Оценка точности по оси после компенсации линейной погрешности
Линейные погрешности включают косинусную погрешность, неточность шага винта, угловое отклонение в точке измерения (погрешность Аббе), а эффекты теплового расширения могут быть компенсированы линейной компенсацией погрешности.
Графически эти ошибки могут быть аппроксимированы наклоном наиболее подходящей прямой линии на графике зависимости положения от отклонения. Зная наклон этой линии (погрешность/перемещение), можно оценить точность после линейной компенсации.
Нелинейные погрешности компенсируются отображением погрешностей с помощью лазерного интерферометра. Типичный лазерный интерферометр основан на интерферометре Майкельсона, состоящем из источника света, поляризационной оптики расщепления пучка, зеркал на трансляторе и системы детектирования. После получения координат образца (интерферометром) при каждом приращении создается текстовый файл, представляющий позицию и связанную с ней ошибку в этой позиции. В зависимости от необходимого уровня точности позиционирования выбирается различное количество точек. Затем контроллер использует текстовый файл для вычисления и выполнения команды коррекции ошибок. Конечная точность после отображения ошибок может составлять несколько сотен нанометров для ступеней с линейными двигателями.
Следует отметить, что для получения точных средств создания надежных ОЗЛ в любой спектроскопии с временным разрешением или динамическом эксперименте необходимо учитывать несколько факторов, связанных с ОЗЛ, чтобы уменьшить или устранить ошибки, связанные с линейными трансляторами. Нужно быть внимательными с техническими характеристиками, как разрешение, и выбирать транслятор, которая соответствует значению MIM, необходимому для точного разрешения изучаемых явлений.
Оптический стол
Оптическая плита - надежная рабочая поверхность для Оптических линий задержек. Она имеет «сэндвичную» структуру и состоит из верхней пластины толщиной 5 мм из нержавеющей стали и нижней пластины толщиной 3-6 мм, между которыми располагается сотовая структура. Пластины и сердечник соединяются под высоким давлением при помощи специальной эпоксидной смолы. Размеры оптических плит могут быть выполнены для любого размера.
Подходящие решения:Сотовая оптическая плита | |
|
Сотовая оптическая монтажная плита
|
|
Алюминиевая монтажная оптическая плита |
Предустановленная оптическая линия задержки
Оптические линии задержки Standa позволяют изменять длину оптического пути с помощью компьютера. Каждая система включает транслятор с прямым приводом, контроллер и оптику с креплениями. В качестве оптики используется дюймовые серебряные зеркала, которые имеют высокий коэффициент отражения в спектральном диапазоне 550-1100 нм, такие системы подходят для работы с фемтосекундными лазерами. Можно создавать различные варианты линий задержки, используя требуемые прецизионные оптические крепления и оптомеханические аксессуары.
Линейные трансляторы для ОЗЛ
Для построения Оптической линии задержки идеально подойдут Линейные трансляторы на основе прямого привода производителя Standa. Трансляторы обладают высокими параметрами, подходящими для построения ОЗЛ, а также выполняет индивидуальную калибровку транслятора в зависимости от планируемых задач.