光学平台隔振注意事项

无论何种激光应用，为维持光路稳定，振动隔离和桌面阻尼的重要性都是再强调也不为过。

一套复杂的光学系统是否稳定，在很大程度上取决于光学平台和隔振腿的性能。随着应用的不断丰富，光学系统的设计正变得愈发复杂，也为光路稳定性带来更大挑战——如果安装使用不正确，即使最完美的隔振方案也难以起到效果。

光学平台最重要的作用是提供动态刚度(Dynamic rigidity)。光路的稳定性主要受桌面长轴方向上点对点的相对运动影响。这些相对运动产生于桌面上搭建的设备、空气调节(HVAC)系统以及其他声音来源。削减这些振动的最佳方案是在来源处即行隔绝，比如在设备与桌面间放置柔性垫、为排气管增加挡板或使用隔声罩。需要注意的是，光学平台尽管提供了相对稳定的环境，但不能完全阻止来自桌面本身的振动，从而影响桌面上的其他设备。

光学元件的形变是系统不稳定的第二大来源。即使将光学平台视作刚体，该刚体的固有振动依然会触发光学调整架的自然振动，导致光路不稳定。为了定量模拟光学调整架在典型实验室环境中可能产生的位移，我们将1英寸调整架固定于6英寸镜柱上，并在光学平台表面模拟类似于桌面上的风扇、电动位移台或其他声学扰动的宽带噪声。调整架的位移由一个不产生任何质量效应的激光测振仪来测量。实验使用了主动阻尼光学平台，同时测量结构阻尼和主动阻尼的运动，以便充分地体现阻尼桌面的减振效果。

典型实验室环境中，宽带噪声可能造成光学调整架的位移量，很大程度上取决于其所在光学平台的阻尼性能。

对于上述1英寸调整架和6英寸镜柱的系统，调整架受激时会产生800 nm的位移。如果使用SmartTable和主动阻尼，位移会降至10到20 nm（见上图）。因为该系统中镜柱、调整架和桌面的固有频率相近，因此振幅较大，桌面的阻尼效应得到突显。尽管实际实验时光学元件的固有频率各不相同，但该结果确实说明了光学元件的选择和安装需要与桌面环境作整体考虑，以优化光路稳定性。

一个测试桌面作用力与调整架水平位移关系的模拟实验示意图

接着我们测试了0.5英寸镜柱和镜座的组合，总高6英寸，如上图所示。镜柱顶端安置了一个质量近似于普通调整架的加速度计，以监控水平方向上的位移；桌面上安装的力传感器则用来测量模拟作用力，进而得出作用力转化为相对位移的关系方程。下图可见，无论主动阻尼开启或关闭，镜柱/镜座在自然振动模式下都会产生两个共振峰（红色）。开启主动阻尼可以抑制桌面的固有振动，但镜柱/镜座的自然振动并不能被有效隔离。


上述实验不仅验证了桌面主动阻尼的效果，同时也证实了光学元件的振动对光路稳定性存在影响。削减这些振动的方式包括：一、尽可能降低光路高度，二、对灵敏度高的光学元件使用最稳定的镜柱和夹具，三、尽量将这些高精度元件固定于光学平台中央，四、如果必须使用较高的光路，最好用直径较大的镜柱来支撑光学件。


桌腿气浮隔振

系统稳定性不只受高频振动的影响，低频振动的干扰同样需要重视，尤其在系统组件的频率附近。气浮隔振腿的主要作用除了支撑，还体现在能有效削减传递到桌面的低频地表振动。

平台安装注意事项

设计隔振系统的最后一步——在做出最终订购决定之前，还需要考虑复杂的安装因素。

隔振平台系统能不能运载到实验室指定位置，是一定要慎重考虑的。与工程人员、同事、或装配工一同走一遍安装路线——接收点、电梯、走廊、门口甚至窗口（如果需要使用起重机），可以发现可能存在的物流问题，并对系统方案做出必要的修改。

其次需要注意的是实验室的配套设备，包括电压电流、照明、干燥气体供应（用于支持维持系统）以及空气调节系统。如果缺乏清洁的干燥气体，则需要使用高质量的空气压缩机。不洁或潮湿的气体会极大地影响气浮隔振系统，不合规定的电源会产生不必要的噪声，乃至精密电子设备的浪涌。

最后需要指出，安装工作需要由购买过相应保险的专业人士使用正确的工具来完成，决不能出现十几人抬起桌面让其他数人移动桌腿的情况。地震多发区的实验室设备选择更需要考虑建筑物的防震需求。

总而言之，尽管当代的振动隔离系统已经极大地提升了光电类应用的稳定性，它们并非能解决所有问题的灵丹妙药。光路稳定性是由整个振动传递“结构回路”决定的，包括支撑结构、光机械件、光学元件和运动控制系统。综合考虑振动环境、削减声音的影响、移除平台上和平台附近不必要的振动来源、以及使用正确的隔振平台安装方法，都是提升隔振性能需要注意的事项。