光學調整架穩定性和環境振動的關系研究

顏石

摘 要：該文通過對比光學調整架的長期穩定性和環境振動的關系，發現了振動會使調整架的指向性發生漂移。用軟件對調整架進行模擬分析，計算調整架的固有頻率，對比在同樣振動環境下鏡架變形量，與實際測試結果相吻合。

關鍵詞：調整架 振動 模擬

中圖分類號：TH204 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）02（c）-0101-02

隨著激光技術的發展，作為其主要組成部分的光學鏡片的種類越來越多，夾持光學鏡片的調整架的性能也越來越重要。其中在長期運行的激光器或系統中，光學調整架的長期穩定性非常重要，可以說直接決定了激光器或激光系統的整體運行狀態。該文通過對光學調整架長期穩定性和環境振動的分析，發現振動對于光學調整架穩定性具有決定性的影響。

1 調整架長期穩定性測量

在長期運行的激光器或系統中，光學調整架的指向穩定性非常重要，若調整架發生漂移，將會導致激光器失諧，或在遠距離激光傳輸中導致激光脫靶。但調整架漂移又有很大的隨機性，光路的漂移往往無規律可循。在實驗中，我們對一款常見的調整架的長期穩定性進行了數次測量，每次測試時長為24 h。在幾次的測量結果中，都發現其在每天約晚上8點至第二天早晨6點的時間范圍內穩定性非常好，鏡片指向性角度偏差范圍位于約15微弧度內，而在白天范圍內，角度偏差可達到40微弧度以上。鏡架的長期穩定性晝夜相差很大。

在相繼排除了環境溫度變化、空氣流動等干擾因素外，考慮到白天的人員行動、公路交通等因素和夜間存在差異，使用測振儀對實驗室的振動狀態進行測量，同樣進行數次測量，每次24 h。在測量結果中發現，實驗室中位于同一位置處，同樣在約晚上8點之后振動開始趨于減小并平緩。這種振動的周期性變化和調整架穩定性周期相吻合，故推測鏡架穩定性與環境振動有關。

2 對比環境振動下鏡架穩定性測試

為進一步研究鏡架穩定性和振動的關系，使用了一臺主動隔振桌作為安裝鏡架的平臺進行測試。該隔振桌可對3 Hz以上頻率的振動進行80%的隔絕，更高頻率的振動隔絕效果更好。在振動測量中發現，當前實驗室主振頻率為5～20 Hz，振動量值白天31 μm/s，夜間8 μm/s。經測試，主動隔振桌啟動后，其平臺表面振動主振頻率為1.8 Hz，在24 h內始終保持量值約2.8 μm/s的振動，可作為穩定可靠的振動環境進行鏡架穩定性測試。

以此隔振桌作為安裝鏡架的光學平臺，共選擇三款鏡架進行不同振動環境下的對比測試。其中二款鏡架為常規二維調整架，另一種為激光器專用設計的特殊規格與材料的調整架。進行了數次對比實驗，穩定性測量結果如表1所示。

可以看出，在不同振動環境下，鏡架A和B二種常規架穩定性表現差異很大，鏡架C差異則不甚明顯。

該次對比實驗說明，常規光學調整架的長期穩定性和安裝在其上的光學平臺的振動有著密切的關系。環境振動量值越小，鏡架長期穩定性越佳。由此可以作為一種指導思想，當光學系統需要長期穩定運轉，尤其是對光路指向性要求較高時，應著重考慮環境的振動狀態，可選擇具有隔振功能的光學平臺，或在實驗室建設時便考慮建筑的隔振性能，例如加強地基的建設，采取在建筑周圍鋪設隔振溝等措施。

3 調整架穩定性原因分析

測試中的A和B款鏡架為市面購買的商業產品，其主體材料為鋁合金，C款鏡架是為激光器專用設計，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下的穩定性差異，對C款鏡架進行模擬計算分析。

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分析軟件ANSYS12.0對光柵支架分別進行了模態分析和PSD隨機振動分析。

隨機振動是指一些無法用確定性函數進行描述，但又具有一定統計規律的振動。通常，進行隨機振動分析時以功率譜密度PSD的形式進行加載。功率譜密度是一個統計量，它是隨機變量的均方值。在模擬計算中，由測振儀所測得數據引入。

依據模擬計算結果，如表2所示，模擬計算出了至10階的固有頻率分布。該調整架的一階固有頻率高達1 000 Hz以上，具備足夠的剛性，而實驗室環境振動的頻率在5～20 Hz，不易引發共振。這與C款鏡架在不同振動下的穩定性差異不大的狀態吻合。

對比C款調整架和A款調整架，模擬計算在受到相同的振動作用下的二款調整架變形狀態，如圖1所示。

由圖1可見，二款調整架在同樣的外界振動環境下，其最大變形量相差一個數量級。若將左邊A調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。由此可以得到結論，調整架的材料、結構等因素，將會影響調整架的共振頻率，在不同的振動環境下，其長期穩定性將有著明顯不同的表現。

4 結語

該文通過對比分析了3種調整架的長期穩定性和環境振動之間的關系，發現振動對調整架的表現有直接的影響，環境振動越強烈，振動頻率越接近調整架的固有頻率，調整架的漂移量越大?？筛鶕h境振動的實際狀況，針對性選取合適材料和構造的調整架，以達到獲得最佳長期穩定性的目的。

參考文獻

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