Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Айнаны ұстайтын құрылғы – жалпы тақырып.
Device which holds a mirror
the general subject
Айна ұстағышы – айнаны ұстап тұратын құрылғы. Оптикалық зерттеулерде, айнаны бақыланатын дәлдікпен бұру және көлдіру қажет болғандықтан, бұл құрылғылар өте күрделі болуы мүмкін, бірақ реттелмеген кезде оны дәл позицияда ұстап тұруы шарт. Оптикалық айна ұстағышы әдетте айнаны бекітетін жылжымалы алдыңғы пластинадан және реттеу бұрандалары бар бекітілген артқы пластинадан тұрады. Реттеу бұрандалары алдыңғы пластинаны көлденең (тік) және бүйірлеу (көлденең) бағыттарында айналу осі бойынша қозғалтады. Көбінесе үшінші механизм z осьін бойымен жылжуға мүмкіндік береді. Дәл айна ұстағыштары қымбатқа түсуі мүмкін, ал олардың дизайнына көп инженерлік еңбек жұмсалады. Мұндай күрделі ұстағыштар лазерлерге, интерферометрлерге және оптикалық кешіктіру желілеріне жиі қажет болады.
A mirror mount is a device that holds a mirror. In optics research, these can be quite sophisticated devices, due to the need to be able to tip and tilt the mirror by controlled amounts, while still holding it in a precise position when it is not being adjusted. An optical mirror mount generally consists of a movable front plate which holds the mirror, and a fixed back plate with adjustment screws. Adjustment screws drive the front plate about the axes of rotation in the pitch (vertical) and yaw (horizontal) directions. An optional third actuator often enables z axis translation. Precision mirror mounts can be quite expensive, and a notable amount of engineering goes into their design. Such sophisticated mounts are often required for lasers, interferometers, and optical delay lines.
Айналысты орнату түрлері
Айнаның ең көп таралған түрі – кинематикалық бекіткіш. Бұл типтегі бекіткіштер кинематикалық анықтық принциптеріне сәйкес жасалған. Әдетте, айнаны ұстайтын жылжымалы рама, бекітілген раманың тесігіне орнатылған шарлы подшипникке тіреледі. Бұл тесіктің үшбұрышты (пирамида пішіндес) болуы тиіс. Көбінесе, өндірістің жеңілдігі үшін конустық тесік қолданылады. Рама екі микрометрлік немесе ұсақ жіпті бұрандалар арқылы бұрылады, олардың ұштары болат шарлы подшипниктермен жабдықталған. Бұл шарлы подшипниктердің біреуі V-түтікшеге, екіншісі тегіс бетке орналасқан. Арзан бекіткіштерде тегіс бет, бекіткіштің өзінің материалынан жасалған болуы мүмкін. Ал қымбат бекіткіштерде тегіс бет (сондай-ақ тесік және V-түтікше де) көбінесе сапфир сияқты әлдеқайда қатты материалдан жасалып, рамаға орнатылады. Бұл ерекше механизмнің себебі – бірінші шар (идеал жағдайда) бекітілген рамамен дәл үш нүктеде, екінші шар екі нүктеде, ал үшінші шар бір нүктеде жанасады. Осы алты жанасу нүктесі, жылжымалы раманың қозғалыс еркіндігінің алты дәрежесін нақты шектейді. Бұл, микрометрлер немесе бұрандалар бұрылғанда, раманың қажетсіз дірілсіз және үйкеліссіз, дәл қозғалысын қамтамасыз етеді. Кинематикалық бекіткіштің кемшілігі – айна айналғанда, оның орталығы нормаль осі бойымен жылжиды. Себебі, айналу орталығы – айнаның ортасы емес, бірінші шарлы подшипніктің ортасы. Оптикалық резонаторлар мен интерферометрлер үшін, айналарды резонатор ұзындығын реттеуден бөлек реттеуге мүмкіндік беру жиі қажет болады. Осы және басқа да қолданулар үшін, күрделірек бекіткіш қажет. Осы аударманы болдырмаудың бір жолы – бірінші шарды да ұсақ жіпті бұрандаға орнату. Барлық үш бұранданы тиісті түрде реттеу арқылы, айнаны жылжусыз, кез келген бағытта еңкейтуге болады. Бұрандаларды компьютерлік басқарудағы мотормен қоздыру арқылы, операторға айнаның ортасындағы виртуалды айналу нүктесінен қарапайым айналу сияқты әсер етеді. Аударманы механикалық түрде жою үшін гимбалдық бекіткішті пайдалануға болады, ол айнаның ортасынан өтетін сызық бойымен бұрылатын екі сақинадан тұрады. Бұл, айнаның ортасы бойынша кинематикалық тұрғыдан дұрыс екі осьтік айналуды қамтамасыз етеді. Екі типті бекіткіште де, егер бекіткіш тек гравитация раманы орнында ұстайтын бағытта қолданылатын жағдайда ғана пайдаланылатын болса, раманы шарлы подшипниктерге қысып ұстау үшін серіппелер қажет. Кантелеверлік принципке сәйкес, үлкен бекіткіш кішкентай бекіткіштен гөрі жақсы басқаруға мүмкіндік береді. Рамалар идеалды түрде жеңіл материалдан жасалады, бұл құрылымның резонанстық жиілігін арттырады. Бұл дірілді азайтады, өйткені дірілдің көптеген көздері салыстырмалы түрде төмен жиілікті болады. Тұрақтылық үшін бекітілген рама, тірек бетіне берік бұралған қатты бекіткішпен сүйеніп тұрады. Зертханалық жағдайда, бұл әдетте оптикалық үстел болады. Соққы бекіткішті шарлы подшипниктерден жылжытуы мүмкін, бірақ бар болғаны 6 қатты жанасу нүктесі болғандықтан, айна бастапқы орнына оралып, сәйкестікті сақтайды. Бекіткіштің өзі орнатылған оптикалық элементтердің деформациясын болдырмауы керек. Орнатудан туындаған кернеу, айнадан шағылысқан жарықта аберрацияны немесе линзаның ішінде фотоэластикалық эффектіні тудыруы мүмкін. Кейбір лазерлерде айналарды оңай ауыстыру қажет, сондықтан бекіткішті дұрыс сәйкестілікті жоғалтпай, айнаны алып тастауға және ауыстыруға мүмкіндік беретіндей етіп жасау керек.
The most common type of mirror mount is the kinematic mount. This type of mount is designed according to the principles of kinematic determinacy. Typically, the movable frame that holds the mirror pivots on a ball bearing which is set into a hole in the fixed frame. Ideally, this hole should be trihedral (pyramid shaped). Often a conical hole is used due to easier manufacture. The frame is pivoted by means of two micrometers or fine thread screws, tipped with steel ball bearings. One of these ball bearings rests in a V groove, the other rests on a flat surface. On cheaper mounts, the flat surface may be simply the material of the mount. In more expensive mounts, the flat surface (and perhaps the hole and v groove too) may be made out of a much harder material (often sapphire), set into the frame. The reason for this strange mechanism is that the first ball (ideally) makes contact with the fixed frame at exactly three points, the second ball at two, and the third ball at just one. These six points of contact exactly constrain the six degrees of freedom for motion of the movable frame. This leads to precise movement of the frame when the micrometers or screws are turned, without unnecessary wobble or friction. A disadvantage of kinematic mounts is that the center of the mirror moves along its normal axis, when the mirror is rotated. This is because the center of rotation is the middle of the first ball bearing, not the center of the mirror. For optical cavities and interferometers, it is often desirable to be able to align the mirrors separately from adjustments to the length of the cavity. For these applications and others, a more sophisticated mount is required. One way of eliminating this translation along the axis is to set the first ball on a fine thread screw as well. By appropriate adjustment of all three screws, the mirror can be tilted in either direction without translation. The screws can be driven by a motor under computer control to make this seem to the operator like simple rotation about a virtual pivot point in the center of the mirror surface. The translation can instead be eliminated mechanically by using a gimbal mount, which uses two rings that each pivot about a line running through the center of the mirror. This gives kinematically correct two axis rotation about the center of the mirror. With both types of mount, springs are needed to keep the frame pressed against the ball bearings, unless the mount is designed to be used only in an orientation where gravity will keep the frame in place. Following the cantilever principle, a large mount allows finer control than a smaller one. The frames are ideally made of a light material, to make the resonant frequency of the structure high. This reduces vibration, since many common sources of vibration are relatively low frequency. For stability, the fixed frame is supported by a rigid mount that is securely bolted to a supporting surface. In a laboratory environment, this is typically an optical table. A shock can cause the mount to move away from the ball bearings, but because there are only 6, hard contacts, the mirror will return to the original position, preserving the alignment. The mount itself has to avoid deformation of the mounted optics. Stress from mounting can introduce aberration in the light reflected from a mirror, or photoelasticity inside a lens. In some lasers the mirrors have to be easily replaced, in which case the mount needs to be designed to allow the mirror to be removed and replaced without losing the correct alignment.
Операция
Ұсақ жіпше бұрандалар сырғанап, жабысатын қасиет көрсетеді; қолмен пайдаланғанда, жіп сәл сырғанағанша екі саусақпен айналдыру күші қолданылады, содан кейін жаңа орны шкаладан оқылады. Арзан бұрандалар ұзақ сырғанап, шкаласы болмайды. Дәл микрометрлер жақсы нәтиже береді және анықтама үшін шкаламен жабдықталған. Қашықтан басқару үшін электрмотор қысқа импульстік айналдыру күшін қолдануға пайдаланылады. Мотор бұрандамен және жіппен ғана берік байланыстырылады, импульс үйкеліс арқылы жұтылады. Орналасуды электронды түрде оқу үшін ротационды энкодер орнатылады. Егер шар бұранданың ортасына толыққандай келмесе және ось айна бетіне перпендикуляр болмаса (бұл кейбір ыңғайлы айна ұстағыштарының ерекшелігі), айнаның сызықтық қозғалысына кішкентай синусоидалық қозғалысы қосылады, оны басқару құрылғысы түзетуге болады. Аналогтық (5 нм) дәл басқару үшін жылдамдатылатын рамкаға пьезоэлементтер орнатылған.
The fine thread screws show a slip and stick behaviour; when used manually, a torque is applied with two fingers until the thread slips a bit, then the new position is read on a scale. Inexpensive screws do long slips and lack a scale. Precision micrometers perform better and provide a scale for reference. When used remotely, an electric motor is used to apply short pulses of torque. The motor is firmly connected with the screw and the thread and nothing else so that the pulse is absorbed by friction. To read out the position electronically, a rotary encoder is attached. When the ball is not completely centered on the screw and the axis is not normal to the mirror surface (which is an explicit feature of some convenience mirror mounts), a small sinus movement of the mirror is overlaid onto the linear movement, which a controller could compensate for. For analog fine control (5 nm), piezos are built into the mobile frame.
Қолданбалар
Лазерлік қуыстың соңғы айналарына өте дәл реттеу қажет. Лазерлік сәулелердің төмен дивергенциясының салдарынан, оларды дәл бағыттау үшін айналар қажет. Оптикалық үстелде жылдам прототиптеу үшін айна ұстағыштарын айналардан басқа элементтерді ұстауға болады, мысалы, линзаларды көбінесе минималды кома үшін реттеу қажет. Кейде призмаларды тек екі ось бойынша реттеу жеткілікті, сондықтан оларды үш осьті призмалық үстелге емес, айна ұстағышына орнатуға болады. Фазаға қатаң сәйкес келетін кристалдарды стандартты айна ұстағышымен дәл реттеуге және баптауға болады. Бұл кішкентай эталондар, тежегіштер және поляризаторлар үшін де дұрыс. Сонымен қатар, пружиналардың орнына магниттерді қолданатын айна ұстағыштары жылжымалы жақтауды алып тастауға және кейіннен оны дәл сол позицияға орнатуға мүмкіндік береді.
Laser cavity end mirrors need very precise alignment. Due to their low divergence laser beams need precise steering mirrors. For rapid prototyping on an optical table mirror mounts can be used to hold other elements besides mirrors, for example lenses often need to be aligned for minimal coma. Sometimes prisms only need two axes alignment and can be mounted on a mirror mount rather than a three axis prism table. Critical phase matched crystals can be aligned and tuned precisely with a standard mirror mount. The same is true for small etalons, retarders and polarizers. Furthermore, mirror mounts using magnets instead of springs allow the mobile frame to be removed and later replaced in exactly the same position.
Қатынасты құрылғылар
Ротация жартылай гимбальды тіреу арқылы жүзеге асырылғанымен, көптеген айналу сатылары кинематикалық белгілілік принциптеріне негізделмейді. Кинематикалық белгілілігі бар сызықтық қозғалыс тірегі немесе сызықтық сатысы цилиндрде сырғанатын екі V ойысты, екінші параллель цилиндрде сырғанатын тегіс бетті және бұранданы байланыстыратын тегіс бетті пайдаланады. Ұшу симуляторларынан белгілі болған гексапод алты дәрежелі қозғалысқа мүмкіндік береді. Кинематикалық белгілілік үшін әрбір тірек тұрақты каркастағы үшбұрышты тесікке орналасқан шардан, тұрақты каркастағы жалпақ тақтаға қосылған шардан және қозғалмалы каркастағы үшбұрышты тесікке қосылған шардан тұрады. Тіректің қозғалмалы бөлігі бекітілген бөлігінің бұрандалы жібімен байланысқан жіп арқылы жалғастырылады. Бұрандалы жіппен байланыс кез келген басқа айналу подшипнігі сияқты кинематикалық белгілілікті қамтамасыз етеді. Шарик тәрізді және цилиндрлік ролик тәрізді подшипниктер кинематикалық белгілілік үшін қажеттіден артық түйісу нүктелеріне ие. Бұл буындардың тозуына байланысты дәлдіктің төмендеуіне алып келеді. Иілгіш подшипниктер мен пьезоэлектрлік элементтер басқа механикалық подшипниктерге қарағанда жоғары дәлдік береді.
Although rotation can be achieved by a semi gimbal mount most rotation stages are not designed based on the principles of kinematic determinacy. A linear motion bearing or linear stage having kinematic determinacy uses two V grooves sliding on a cylinder, a flat surface sliding on a second parallel cylinder, and a flat surface joining the screw. The hexapod known from flight simulators allows motion with six degrees of freedom. For kinematic determinacy each leg consists of a ball set in a trihedral hole in the fixed frame, a ball joining a flat plate in the fixed frame, and a ball joining a trihedral hole in the mobile frame. The mobile part of the leg is connected with a thread which runs in thread of the fixed part. A screw thread join gets kinematic determinacy the same way as any other rotation bearing. The ball bearing and cylindrical roller bearing are overdetermined, having more points of contact than required for kinematic determinacy. This leads to decreased precision as the joints wear. The flexure bearing and piezoelectric element offer higher precision than other mechanical bearings.