顏石

摘 要：該文通過(guò)對(duì)比光學(xué)調(diào)整架的長(zhǎng)期穩(wěn)定性和環(huán)境振動(dòng)的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)了振動(dòng)會(huì)使調(diào)整架的指向性發(fā)生漂移。用軟件對(duì)調(diào)整架進(jìn)行模擬分析，計(jì)算調(diào)整架的固有頻率，對(duì)比在同樣振動(dòng)環(huán)境下鏡架變形量，與實(shí)際測(cè)試結(jié)果相吻合。

關(guān)鍵詞：調(diào)整架 振動(dòng) 模擬

中圖分類號(hào)：TH204 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2017）02（c）-0101-02

隨著激光技術(shù)的發(fā)展，作為其主要組成部分的光學(xué)鏡片的種類越來(lái)越多，夾持光學(xué)鏡片的調(diào)整架的性能也越來(lái)越重要。其中在長(zhǎng)期運(yùn)行的激光器或系統(tǒng)中，光學(xué)調(diào)整架的長(zhǎng)期穩(wěn)定性非常重要，可以說(shuō)直接決定了激光器或激光系統(tǒng)的整體運(yùn)行狀態(tài)。該文通過(guò)對(duì)光學(xué)調(diào)整架長(zhǎng)期穩(wěn)定性和環(huán)境振動(dòng)的分析，發(fā)現(xiàn)振動(dòng)對(duì)于光學(xué)調(diào)整架穩(wěn)定性具有決定性的影響。

1 調(diào)整架長(zhǎng)期穩(wěn)定性測(cè)量

在長(zhǎng)期運(yùn)行的激光器或系統(tǒng)中，光學(xué)調(diào)整架的指向穩(wěn)定性非常重要，若調(diào)整架發(fā)生漂移，將會(huì)導(dǎo)致激光器失諧，或在遠(yuǎn)距離激光傳輸中導(dǎo)致激光脫靶。但調(diào)整架漂移又有很大的隨機(jī)性，光路的漂移往往無(wú)規(guī)律可循。在實(shí)驗(yàn)中，我們對(duì)一款常見(jiàn)的調(diào)整架的長(zhǎng)期穩(wěn)定性進(jìn)行了數(shù)次測(cè)量，每次測(cè)試時(shí)長(zhǎng)為24 h。在幾次的測(cè)量結(jié)果中，都發(fā)現(xiàn)其在每天約晚上8點(diǎn)至第二天早晨6點(diǎn)的時(shí)間范圍內(nèi)穩(wěn)定性非常好，鏡片指向性角度偏差范圍位于約15微弧度內(nèi)，而在白天范圍內(nèi)，角度偏差可達(dá)到40微弧度以上。鏡架的長(zhǎng)期穩(wěn)定性晝夜相差很大。

在相繼排除了環(huán)境溫度變化、空氣流動(dòng)等干擾因素外，考慮到白天的人員行動(dòng)、公路交通等因素和夜間存在差異，使用測(cè)振儀對(duì)實(shí)驗(yàn)室的振動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行測(cè)量，同樣進(jìn)行數(shù)次測(cè)量，每次24 h。在測(cè)量結(jié)果中發(fā)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)室中位于同一位置處，同樣在約晚上8點(diǎn)之后振動(dòng)開(kāi)始趨于減小并平緩。這種振動(dòng)的周期性變化和調(diào)整架穩(wěn)定性周期相吻合，故推測(cè)鏡架穩(wěn)定性與環(huán)境振動(dòng)有關(guān)。

2 對(duì)比環(huán)境振動(dòng)下鏡架穩(wěn)定性測(cè)試

為進(jìn)一步研究鏡架穩(wěn)定性和振動(dòng)的關(guān)系，使用了一臺(tái)主動(dòng)隔振桌作為安裝鏡架的平臺(tái)進(jìn)行測(cè)試。該隔振桌可對(duì)3 Hz以上頻率的振動(dòng)進(jìn)行80%的隔絕，更高頻率的振動(dòng)隔絕效果更好。在振動(dòng)測(cè)量中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)前實(shí)驗(yàn)室主振頻率為5～20 Hz，振動(dòng)量值白天31 μm/s，夜間8 μm/s。經(jīng)測(cè)試，主動(dòng)隔振桌啟動(dòng)后，其平臺(tái)表面振動(dòng)主振頻率為1.8 Hz，在24 h內(nèi)始終保持量值約2.8 μm/s的振動(dòng)，可作為穩(wěn)定可靠的振動(dòng)環(huán)境進(jìn)行鏡架穩(wěn)定性測(cè)試。

以此隔振桌作為安裝鏡架的光學(xué)平臺(tái)，共選擇三款鏡架進(jìn)行不同振動(dòng)環(huán)境下的對(duì)比測(cè)試。其中二款鏡架為常規(guī)二維調(diào)整架，另一種為激光器專用設(shè)計(jì)的特殊規(guī)格與材料的調(diào)整架。進(jìn)行了數(shù)次對(duì)比實(shí)驗(yàn)，穩(wěn)定性測(cè)量結(jié)果如表1所示。

可以看出，在不同振動(dòng)環(huán)境下，鏡架A和B二種常規(guī)架穩(wěn)定性表現(xiàn)差異很大，鏡架C差異則不甚明顯。

該次對(duì)比實(shí)驗(yàn)說(shuō)明，常規(guī)光學(xué)調(diào)整架的長(zhǎng)期穩(wěn)定性和安裝在其上的光學(xué)平臺(tái)的振動(dòng)有著密切的關(guān)系。環(huán)境振動(dòng)量值越小，鏡架長(zhǎng)期穩(wěn)定性越佳。由此可以作為一種指導(dǎo)思想，當(dāng)光學(xué)系統(tǒng)需要長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)，尤其是對(duì)光路指向性要求較高時(shí)，應(yīng)著重考慮環(huán)境的振動(dòng)狀態(tài)，可選擇具有隔振功能的光學(xué)平臺(tái)，或在實(shí)驗(yàn)室建設(shè)時(shí)便考慮建筑的隔振性能，例如加強(qiáng)地基的建設(shè)，采取在建筑周圍鋪設(shè)隔振溝等措施。

3 調(diào)整架穩(wěn)定性原因分析

測(cè)試中的A和B款鏡架為市面購(gòu)買的商業(yè)產(chǎn)品，其主體材料為鋁合金，C款鏡架是為激光器專用設(shè)計(jì)，主體材料為304不銹鋼。為研究該鏡架與A、B兩款鏡架在不同振動(dòng)下的穩(wěn)定性差異，對(duì)C款鏡架進(jìn)行模擬計(jì)算分析。

首先采用大型三維建模軟件CATIA V5R19建立了光柵支架各零件的3D模型，隨后運(yùn)用軟件自帶的裝配模塊建立了光柵架的3D裝配體，再采用大型多物理場(chǎng)分析軟件ANSYS12.0對(duì)光柵支架分別進(jìn)行了模態(tài)分析和PSD隨機(jī)振動(dòng)分析。

隨機(jī)振動(dòng)是指一些無(wú)法用確定性函數(shù)進(jìn)行描述，但又具有一定統(tǒng)計(jì)規(guī)律的振動(dòng)。通常，進(jìn)行隨機(jī)振動(dòng)分析時(shí)以功率譜密度PSD的形式進(jìn)行加載。功率譜密度是一個(gè)統(tǒng)計(jì)量，它是隨機(jī)變量的均方值。在模擬計(jì)算中，由測(cè)振儀所測(cè)得數(shù)據(jù)引入。

依據(jù)模擬計(jì)算結(jié)果，如表2所示，模擬計(jì)算出了至10階的固有頻率分布。該調(diào)整架的一階固有頻率高達(dá)1 000 Hz以上，具備足夠的剛性，而實(shí)驗(yàn)室環(huán)境振動(dòng)的頻率在5～20 Hz，不易引發(fā)共振。這與C款鏡架在不同振動(dòng)下的穩(wěn)定性差異不大的狀態(tài)吻合。

對(duì)比C款調(diào)整架和A款調(diào)整架，模擬計(jì)算在受到相同的振動(dòng)作用下的二款調(diào)整架變形狀態(tài)，如圖1所示。

由圖1可見(jiàn)，二款調(diào)整架在同樣的外界振動(dòng)環(huán)境下，其最大變形量相差一個(gè)數(shù)量級(jí)。若將左邊A調(diào)整架材料更改為鋼材，其最大變形量也小于鋁合金材料的一倍以上。由此可以得到結(jié)論，調(diào)整架的材料、結(jié)構(gòu)等因素，將會(huì)影響調(diào)整架的共振頻率，在不同的振動(dòng)環(huán)境下，其長(zhǎng)期穩(wěn)定性將有著明顯不同的表現(xiàn)。

4 結(jié)語(yǔ)

該文通過(guò)對(duì)比分析了3種調(diào)整架的長(zhǎng)期穩(wěn)定性和環(huán)境振動(dòng)之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)振動(dòng)對(duì)調(diào)整架的表現(xiàn)有直接的影響，環(huán)境振動(dòng)越強(qiáng)烈，振動(dòng)頻率越接近調(diào)整架的固有頻率，調(diào)整架的漂移量越大?？筛鶕?jù)環(huán)境振動(dòng)的實(shí)際狀況，針對(duì)性選取合適材料和構(gòu)造的調(diào)整架，以達(dá)到獲得最佳長(zhǎng)期穩(wěn)定性的目的。

參考文獻(xiàn)

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