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光学调整架稳定性和环境振动的关系研究

颜石

摘 要：该文通过对比光学调整架的长期稳定性和环境振动的关系，发现了振动会使调整架的指向性发生漂移。用软件对调整架进行模拟分析，计算调整架的固有频率，对比在同样振动环境下镜架变形量，与实际测试结果相吻合。
关键词：调整架 振动 模拟
：TH204 ：A ：1674-098X（2017）02（c）-0101-02
随着激光技术的发展，作为其主要组成部分的光学镜片的种类越来越多，夹持光学镜片的调整架的性能也越来越重要。其中在长期运行的激光器或系统中，光学调整架的长期稳定性非常重要，可以说直接决定了激光器或激光系统的整体运行状态。该文通过对光学调整架长期稳定性和环境振动的分析，发现振动对于光学调整架稳定性具有决定性的影响。
1 调整架长期稳定性测量
在长期运行的激光器或系统中，光学调整架的指向稳定性非常重要，若调整架发生漂移，将会导致激光器失谐，或在远距离激光传输中导致激光脱靶。但调整架漂移又有很大的随机性，光路的漂移往往无规律可循。在实验中，我们对一款常见的调整架的长期稳定性进行了数次测量，每次测试时长为24 h。在几次的测量结果中，都发现其在每天约晚上8点至第二天早晨6点的时间范围内稳定性非常好，镜片指向性角度偏差范围位于约15微弧度内，而在白天范围内，角度偏差可达到40微弧度以上。镜架的长期稳定性昼夜相差很大。
在相继排除了环境温度变化、空气流动等干扰因素外，考虑到白天的人员行动、公路交通等因素和夜间存在差异，使用测振仪对实验室的振动状态进行测量，同样进行数次测量，每次24 h。在测量结果中发现，实验室中位于同一位置处，同样在约晚上8点之后振动开始趋于减小并平缓。这种振动的周期性变化和调整架稳定性周期相吻合，故推测镜架稳定性与环境振动有关。
2 对比环境振动下镜架稳定性测试
为进一步研究镜架稳定性和振动的关系，使用了一台主动隔振桌作为安装镜架的平台进行测试。该隔振桌可对3 Hz以上频率的振动进行80%的隔绝，更高频率的振动隔绝效果更好。在振动测量中发现，当前实验室主振频率为5～20 Hz，振动量值白天31 μm/s，夜间8 μm/s。经测试，主动隔振桌启动后，其平台表面振动主振频率为1.8 Hz，在24 h内始终保持量值约2.8 μm/s的振动，可作为稳定可靠的振动环境进行镜架稳定性测试。
以此隔振桌作为安装镜架的光学平台，共选择三款镜架进行不同振动环境下的对比测试。其中二款镜架为常规二维调整架，另一种为激光器专用设计的特殊规格与材料的调整架。进行了数次对比实验，稳定性测量结果如表1所示。
可以看出，在不同振动环境下，镜架A和B二种常规架稳定性表现差异很大，镜架C差异则不甚明显。
该次对比实验说明，常规光学调整架的长期稳定性和安装在其上的光学平台的振动有着密切的关系。环境振动量值越小，镜架长期稳定性越佳。由此可以作为一种指导思想，当光学系统需要长期稳定运转，尤其是对光路指向性要求较高时，应着重考虑环境的振动状态，可选择具有隔振功能的光学平台，或在实验室建设时便考虑建筑的隔振性能，例如加强地基的建设，采取在建筑周围铺设隔振沟等措施。
3 调整架稳定性原因分析
测试中的A和B款镜架为市面购买的商业产品，其主体材料为铝合金，C款镜架是为激光器专用设计，主体材料为304不锈钢。为研究该镜架与A、B两款镜架在不同振动下的稳定性差异，对C款镜架进行模拟计算分析。
首先采用大型三维建模软件CATIA V5R19建立了光栅支架各零件的3D模型，随后运用软件自带的装配模块建立了光栅架的3D装配体，再采用大型多物理场分析软件ANSYS12.0对光栅支架分别进行了模态分析和PSD随机振动分析。
随机振动是指一些无法用确定性函数进行描述，但又具有一定统计规律的振动。通常，进行随机振动分析时以功率谱密度PSD的形式进行加载。功率谱密度是一个统计量，它是随机变量的均方值。在模拟计算中，由测振仪所测得数据引入。
依据模拟计算结果，如表2所示，模拟计算出了至10阶的固有频率分布。该调整架的一阶固有频率高達1 000 Hz以上，具备足够的刚性，而实验室环境振动的频率在5～20 Hz，不易引发共振。这与C款镜架在不同振动下的稳定性差异不大的状态吻合。
对比C款调整架和A款调整架，模拟计算在受到相同的振动作用下的二款调整架变形状态，如图1所示。
由图1可见，二款调整架在同样的外界振动环境下，其最大变形量相差一个数量级。若将左边A调整架材料更改为钢材，其最大变形量也小于铝合金材料的一倍以上。由此可以得到结论，调整架的材料、结构等因素，将会影响调整架的共振频率，在不同的振动环境下，其长期稳定性将有着明显不同的表现。
4 结语
该文通过对比分析了3种调整架的长期稳定性和环境振动之间的关系，发现振动对调整架的表现有直接的影响，环境振动越强烈，振动频率越接近调整架的固有频率，调整架的漂移量越大。可根据环境振动的实际状况，针对性选取合适材料和构造的调整架，以达到获得最佳长期稳定性的目的。
参考文献
[1] 欧阳德刚，李平，张道明，等.棒材加热炉热工测试与分析[C]//2008全国能源与热工学术年会论文集.2008.
[2] 邓立宝.SOC测试时间优化技术研究[D].哈尔滨工业大学，2012.

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