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光学调整架稳定性和环境振动的关系研究.docx

1、    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

2、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

3、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

4、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

5、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

6、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。

7、 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.   -全文完-

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