Введение

Устройство, удерживающее зеркало
Общая тема

Зеркальный держатель – это устройство, предназначенное для удержания зеркала. В оптических исследованиях они могут быть довольно сложными, поскольку требуется возможность наклонять и поворачивать зеркало на контролируемые углы, сохраняя при этом его точное положение, когда регулировка не производится. Оптический зеркальный держатель обычно состоит из подвижной передней пластины, удерживающей зеркало, и фиксированной задней пластины с регулировочными винтами. Регулировочные винты приводят в движение переднюю пластину вокруг осей вращения в направлениях тангажа (вертикальном) и рыскания (горизонтальном). Опциональный третий актуатор часто обеспечивает перемещение по оси Z. Прецизионные зеркальные держатели могут быть довольно дорогими, и их разработка требует значительных инженерных усилий. Такие сложные держатели часто необходимы для лазеров, интерферометров и оптических линий задержки.

Типы зеркальных крепежей

Наиболее распространенным типом зеркальной подставки является кинематическая подставка. Этот тип крепления разработан в соответствии с принципами кинематической определенности. Как правило, подвижная рама, удерживающая зеркало, вращается на шариковом подшипнике, установленном в отверстие в неподвижной раме. В идеале это отверстие должно быть триэдрическим (в форме пирамиды). Часто используется коническое отверстие из-за простоты изготовления. Рама поворачивается с помощью двух микрометров или винтов с мелкой резьбой, снабженных стальными шариками. Один из этих шариков опирается на V-образную канавку, другой – на плоскую поверхность. В более дешевых подставках плоской поверхностью может служить непосредственно материал подставки. В более дорогих подставках плоская поверхность (а возможно, и отверстие, и V-образная канавка) могут быть изготовлены из гораздо более твердого материала (часто сапфира), вставленного в раму. Причина этого устройства заключается в том, что первый шарик (в идеале) соприкасается с неподвижной рамой ровно в трех точках, второй шарик – в двух, а третий – в одной. Эти шесть точек контакта точно ограничивают шесть степеней свободы движения подвижной рамы. Это обеспечивает точное перемещение рамы при вращении микрометров или винтов, без ненужных колебаний или трения. Недостатком кинематических подставок является то, что центр зеркала смещается вдоль своей нормальной оси при вращении зеркала. Это происходит потому, что центр вращения находится в середине первого шарикового подшипника, а не в центре зеркала. Для оптических резонаторов и интерферометров часто желательно иметь возможность выравнивать зеркала независимо от регулировки длины резонатора. Для этих и других применений требуется более сложное крепление. Один из способов устранить это смещение вдоль оси – установить первый шарик также на винт с мелкой резьбой. При соответствующей регулировке всех трех винтов зеркало можно наклонять в любом направлении без смещения. Винтами можно управлять с помощью двигателя под управлением компьютера, чтобы оператору казалось, что происходит простое вращение вокруг виртуальной оси, проходящей через центр зеркальной поверхности. Смещение можно также устранить механически, используя карданное крепление, которое использует два кольца, каждое из которых вращается вокруг линии, проходящей через центр зеркала. Это обеспечивает кинематически корректное вращение по двум осям вокруг центра зеркала. В обоих типах креплений необходимы пружины для прижатия рамы к шариковым подшипникам, если только крепление не предназначено для использования в ориентации, где гравитация будет удерживать раму на месте. В соответствии с принципом консоли, большая подставка обеспечивает более тонкий контроль, чем меньшая. Рамы идеально изготавливаются из легкого материала, чтобы повысить резонансную частоту конструкции. Это снижает вибрацию, поскольку многие распространенные источники вибрации имеют относительно низкую частоту. Для обеспечения стабильности неподвижная рама поддерживается жестким креплением, надежно прикрепленным к опорной поверхности. В лабораторных условиях это обычно оптический стол. Удар может привести к смещению крепления от шариковых подшипников, но поскольку имеется всего 6 жестких точек контакта, зеркало вернется в исходное положение, сохраняя выравнивание. Само крепление должно избегать деформации установленной оптики. Напряжение от крепления может вызывать аберрации в отраженном от зеркала свете или фотоэластичность внутри линзы. В некоторых лазерах зеркала должны быть легко заменяемыми, в этом случае крепление должно быть спроектировано таким образом, чтобы зеркало можно было снять и заменить без потери правильного выравнивания.

Операция

На тонких винтах наблюдается эффект проскальзывания и заедания; при ручном использовании крутящий момент прилагается двумя пальцами до момента небольшого проскальзывания резьбы, после чего новое положение считывается по шкале. В недорогих винтах проскальзывание происходит на большее расстояние и отсутствует шкала. Прецизионные микрометры работают более эффективно и оснащены шкалой для отсчета. При дистанционном управлении для приложения коротких импульсов крутящего момента используется электродвигатель. Двигатель жестко соединен только с винтом и резьбой, чтобы импульс поглощался трением. Для электронного считывания положения используется вращающийся энкодер. Если шар не полностью центрирован на винте и ось не перпендикулярна зеркальной поверхности (что является особенностью некоторых удобных зеркальных держателей), на линейное движение накладывается небольшое синусоидальное колебание зеркала, которое может быть компенсировано контроллером. Для аналогового прецизионного управления (5 нм) в подвижную раму встроены пьезоэлементы.

Приложения

Крайние зеркала лазерного резонатора требуют очень точной юстировки. Из-за малой расходимости лазерных пучков необходимы прецизионные отклоняющие зеркала. Для быстрой сборки прототипов на оптическом столе зеркальные держатели могут использоваться для крепления элементов, отличных от зеркал, например, линзы часто требуют юстировки для минимизации комы. Иногда призмам достаточно выравнивания по двум осям, и их можно устанавливать в зеркальный держатель вместо трех осевого призмального стола. Критические кристаллы с фазовой синхронизацией могут быть выровнены и точно настроены с помощью стандартного зеркального держателя. То же справедливо для небольших эталонов, замедлителей и поляризаторов. Более того, зеркальные держатели, использующие магниты вместо пружин, позволяют снять подвижную рамку и затем установить ее обратно в точно такое же положение.

Связанные устройства

Хотя вращение можно реализовать с помощью полугимнального крепления, большинство вращательных столов не разработаны на основе принципов кинематической определенности. Линейный подшипник или линейный стол, обладающий кинематической определенностью, использует два V-образных паза, скользящих по цилиндру, плоскую поверхность, скользящую по второму параллельному цилиндру, и плоскую поверхность, примыкающую к винту. Гексаподы, известные из авиасимуляторов, обеспечивают движение с шестью степенями свободы. Для достижения кинематической определенности каждая нога состоит из шара, установленного в триэдральном отверстии в неподвижном каркасе, шара, соединяющего плоскую пластину в неподвижном каркасе, и шара, соединяющего триэдральное отверстие в подвижном каркасе. Подвижная часть ноги соединена резьбой, которая входит в резьбу неподвижной части. Винтовое соединение обеспечивает кинематическую определенность таким же образом, как и любой другой вращательный подшипник. Шариковый и цилиндрический роликовый подшипники являются избыточно определенными, имея больше точек контакта, чем требуется для кинематической определенности. Это приводит к снижению точности по мере износа соединений. Гибкий подшипник и пьезоэлектрический элемент обеспечивают более высокую точность, чем другие механические подшипники.