光學平臺隔振注意事項

無論何種激光應用，為維持光路穩定，振動隔離和桌面阻尼的重要性都是再強調也不為過。

一套復雜的光學系統是否穩定，在很大程度上取決于光學平臺和隔振腿的性能。隨著應用的不斷豐富，光學系統的設計正變得愈發復雜，也為光路穩定性帶來更大挑戰——如果安裝使用不正確，即使最完美的隔振方案也難以起到效果。

光學平臺最重要的作用是提供動態剛度(Dynamic rigidity)。光路的穩定性主要受桌面長軸方向上點對點的相對運動影響。這些相對運動產生于桌面上搭建的設備、空氣調節(HVAC)系統以及其他聲音來源。削減這些振動的最佳方案是在來源處即行隔絕，比如在設備與桌面間放置柔性墊、為排氣管增加擋板或使用隔聲罩。需要注意的是，光學平臺盡管提供了相對穩定的環境，但不能完全阻止來自桌面本身的振動，從而影響桌面上的其他設備。

光學元件的形變是系統不穩定的第二大來源。即使將光學平臺視作剛體，該剛體的固有振動依然會觸發光學調整架的自然振動，導致光路不穩定。為了定量模擬光學調整架在典型實驗室環境中可能產生的位移，我們將1英寸調整架固定于6英寸鏡柱上，并在光學平臺表面模擬類似于桌面上的風扇、電動位移臺或其他聲學擾動的寬帶噪聲。調整架的位移由一個不產生任何質量效應的激光測振儀來測量。實驗使用了主動阻尼光學平臺，同時測量結構阻尼和主動阻尼的運動，以便充分地體現阻尼桌面的減振效果。

典型實驗室環境中，寬帶噪聲可能造成光學調整架的位移量，很大程度上取決于其所在光學平臺的阻尼性能。

對于上述1英寸調整架和6英寸鏡柱的系統，調整架受激時會產生800 nm的位移。如果使用SmartTable和主動阻尼，位移會降至10到20 nm（見上圖）。因為該系統中鏡柱、調整架和桌面的固有頻率相近，因此振幅較大，桌面的阻尼效應得到突顯。盡管實際實驗時光學元件的固有頻率各不相同，但該結果確實說明了光學元件的選擇和安裝需要與桌面環境作整體考慮，以優化光路穩定性。

一個測試桌面作用力與調整架水平位移關系的模擬實驗示意圖

接著我們測試了0.5英寸鏡柱和鏡座的組合，總高6英寸，如上圖所示。鏡柱頂端安置了一個質量近似于普通調整架的加速度計，以監控水平方向上的位移；桌面上安裝的力傳感器則用來測量模擬作用力，進而得出作用力轉化為相對位移的關系方程。下圖可見，無論主動阻尼開啟或關閉，鏡柱/鏡座在自然振動模式下都會產生兩個共振峰（紅色）。開啟主動阻尼可以抑制桌面的固有振動，但鏡柱/鏡座的自然振動并不能被有效隔離。


上述實驗不僅驗證了桌面主動阻尼的效果，同時也證實了光學元件的振動對光路穩定性存在影響。削減這些振動的方式包括：一、盡可能降低光路高度，二、對靈敏度高的光學元件使用最穩定的鏡柱和夾具，三、盡量將這些高精度元件固定于光學平臺中央，四、如果必須使用較高的光路，最好用直徑較大的鏡柱來支撐光學件。


桌腿氣浮隔振

系統穩定性不只受高頻振動的影響，低頻振動的干擾同樣需要重視，尤其在系統組件的頻率附近。氣浮隔振腿的主要作用除了支撐，還體現在能有效削減傳遞到桌面的低頻地表振動。

平臺安裝注意事項

設計隔振系統的最后一步——在做出最終訂購決定之前，還需要考慮復雜的安裝因素。

隔振平臺系統能不能運載到實驗室指定位置，是一定要慎重考慮的。與工程人員、同事、或裝配工一同走一遍安裝路線——接收點、電梯、走廊、門口甚至窗口（如果需要使用起重機），可以發現可能存在的物流問題，并對系統方案做出必要的修改。

其次需要注意的是實驗室的配套設備，包括電壓電流、照明、干燥氣體供應（用于支持維持系統）以及空氣調節系統。如果缺乏清潔的干燥氣體，則需要使用高質量的空氣壓縮機。不潔或潮濕的氣體會極大地影響氣浮隔振系統，不合規定的電源會產生不必要的噪聲，乃至精密電子設備的浪涌。

最后需要指出，安裝工作需要由購買過相應保險的專業人士使用正確的工具來完成，決不能出現十幾人抬起桌面讓其他數人移動桌腿的情況。地震多發區的實驗室設備選擇更需要考慮建筑物的防震需求。

總而言之，盡管當代的振動隔離系統已經極大地提升了光電類應用的穩定性，它們并非能解決所有問題的靈丹妙藥。光路穩定性是由整個振動傳遞“結構回路”決定的，包括支撐結構、光機械件、光學元件和運動控制系統。綜合考慮振動環境、削減聲音的影響、移除平臺上和平臺附近不必要的振動來源、以及使用正確的隔振平臺安裝方法，都是提升隔振性能需要注意的事項。