Оптические столы для высокочувствительных применений в фотонике

Как "работают" современные оптические столы для высокоточного применения

В наше время активно проводятся исследования на наноуровне.  Для качественного проведения таких исследований требуются дополнительные антивибрационные платформы или антивибрационные оптические столы.
Технологии изготовления оптических столов постоянно развиваются. Новые технологии, разработанные компанией TMC, одним из ведущих в мире производителей антивибрационных установок, дают возможность жестко закрепить пневматические виброизоляторы на активную систему подавления вибраций, создавая стабильные оптические столы для чувствительных многофотонных изображений и исследований одиночных молекул.

На что обратить внимание, при выборе оптического стола

Основой каждой лаборатории фотоники является оптический стол. Комплексные оптоэлектронные системы требуют специальных свойств от оптических столов. Поэтому при выборе оптического стола нужно особо обратить внимание на следующие  параметры:

Но наиболее важной характеристикой является то, что они обеспечивают чрезвычайно «тихую» (лишенную вибраций) и стабильную рабочую поверхность.

Оптические столы сводят к нулю вибрацию пола, так как имеют в своем составе очень жесткую, структурно демпфированную стальную сотовую панель с низкочастотной пневматической опорой для виброизоляции. Это создает шесть степеней свободы (DOF) системы: распределенная масса – упругая система - демпфер, с помощью стойких опор виброизоляции, действующих в качестве затухающей пружины.

Cистема (полезная нагрузка – упругая система – демпфер) имеет характерную резонансную частоту (fn), на которой она усиливает вибрацию. На частоте выше 1,4 х fn система начинает подавлять механические вибрации и с увеличением частоты, делает это только лучше. Усиления на резонансной частоте и наклон изоляции является функцией коэффициента затухания в изоляторе. Типичная опорная стойка начинает изолировать вибрацию пола выше 3-4 Гц. Максимальная эффективность проявляется на частоте выше 100 Гц, эффективность достигается за счет структурных демпферов, установленных внутри сотовой структуры.

При резонансных частотах выше 100 Гц вибрация не усиливается в критическом частотном диапазоне. Однако демпфирование колебаний уже не является проблемой, вместо этого важно поддерживать стабильность столов для новых оптических настольных конструкций со сложной изоляцией, изолируя низкочастотные колебания. Это позволяет работать даже с самыми чувствительными многофотонными изображениями и исследованиями с одной молекулой в области биофизики.

Что такое "демпфирование" и "изоляция"?

Демпфирование и виброизоляция - это разные характеристики, которые часто неверно взаимозаменяются.

Демпфирование рассеивает механическую энергию. Cистема (полезная нагрузка – упругая система – демпфер), встроенная в столешницу, обеспечивают демпфирование как низких частот так и частот выше 100 Гц. Когда система оптического стола возмущена, пневмоизоляторы возбуждаются на их резонансной частоте (1-3 Гц). Энергия этого возбуждения рассеивается.

Изоляцией, с другой стороны, является снижение вибрации, путем достижения полезной нагрузки за счет механизмов в опорной стойке изолятора. Активное демпфирование структуры с помощью электромеханических устройств, встроенных в верхнюю часть следует рассматривать как демпфирование, а не изоляцию, так как это не препятствует вибрациям, а скорее гасит их.

Исторически сложилось так, что улучшение характеристик вибрации оптических столов было сосредоточено на увеличении структурного демпфирования верхней части, заключающееся в том, чтобы сочетать чрезвычайно высокие коэффициенты жесткости и веса, достигаемые с помощью стальной сотовой технологией с высоким структурным затуханием и небольшим усилением при резонансе.

В целом, это было успешным, и поверхности оптических столов теперь достигают критического затухания на самых низких резонансных частотах. В той степени, в которой это имело хорошие успехи, дальнейшие улучшения теперь дают уменьшающуюся отдачу. До недавнего времени в изоляционных системах было мало достижений, которые защищали бы оптические столы от вибрации.

Задачи низкочастотной изоляции

Поскольку ученые и инженеры стремятся выполнять измерения и добиваться разрешения при все меньших масштабах, оптические настольные приборы всё более чувствительны к низкочастотной вибрации. Такая вибрация в диапазоне 0,5-30 Гц не ослабляется даже самыми жесткими оптическими столами с улучшенными системами затухания.

Вибрация в этом частотном диапазоне приводит в движение поверхность. Вместо того, чтобы эффективно ослаблять вибрацию в этом диапазоне частот, она должна быть изолирована от поверхности оптического стола. Лучшие стенды поддержки виброизоляции обеспечивают ограниченную изоляцию в этом частотном диапазоне. Они, как правило, состоят из пассивных изоляторов с низкими вертикальными и горизонтальными резонансными частотами, которые усиливают вибрацию в диапазоне 1-4 Гц и начинают эффективно изолировать вибрации частотой выше 4 Гц.

Для низкочастотной изоляции применялись методы управления с активной обратной связью. Термин «активный» использовался для описания различных систем управления, которые включают такие простые механизмы обратной связи, как механическое самовыравнивание воздушных изоляторов путем объединения их с регуляторами давления и механической связью.

Для ясности, когда мы говорим об «активной» изоляции, мы конкретно ссылаемся на активные системы инерциальной обратной связи, в которых сигнал от инерциального датчика, такого как геофон или акселерометр (который измеряет скорость или ускорение соответственно), усиливается и в конечном итоге используется в обратной связи для устранения нежелательной вибрации через электромеханический или другой тип привода.

Инерционные системы обратной связи

Первыми вариантами активных систем инерциальной обратной связи были конфигурации с параллельным типом, в которых инерционный датчик установлен на изолированной поверхности, а исполнительный механизм установлен параллельно с опорами воздушного изолятора, которые поддерживают изолированную поверхность. Такой подход может эффективно подавлять резонансную амплификацию опорных воздушных изоляторов в диапазоне 1-4 Гц.

Однако попытки выделить более широкие полосы пропускания при таком подходе встречаются редко, так как датчики не могут различать движения твердого тела на поверхности и резонанс структур на изолированной полезной нагрузке. Система управления попытается среагировать в обоих случаях, что приведет к нестабильности системы. Хотя компромисс заключался в том, чтобы ограничить полосу пропускания таких систем на <8 Гц, эффективное подавление резонансного усиления воздушных изоляторов и улучшение стабильности, это мало что изменило для улучшения виброизоляции в широком диапазоне 0,5-30 Гц.

Альтернативный подход был разработан с использованием конфигурации последовательного типа. Здесь опорная пружина размещается последовательно с исполнительным механизмом гашения вибраций. Датчик монтируется на внутреннюю поверхность, которая поддерживает полезную нагрузку через жесткую пружину 15-20 Гц, а пьезоэлектрический привод соединяет эту систему с полом.

Рис.1. Виброизоляционные системы с последовательными и параллельным типом управления, где поддерживающая пружина и актюаторы подавления соединены либо последовательно, либо параллельно.

При таком подходе обычные исполнительные механизмы неэффективны, поскольку привод в конфигурации последовательного типа должен поддерживать статический вес в верхней части. Но разработки в технологии пьезоэлектрического привода делают пьезоны идеальным выбором для конфигураций серийного типа, поскольку теперь они могут быть спроектированы для поддержки большой статической массы и имеют отличные характеристики отклика при очень низких смещениях.

В этом варианте, вибрации пола проявляются на внутренней поверхности, как они передаются через жесткий привод. Цикл обратной связи закрыт на внутренней поверхности, так как приводы «фильтруют» шум пола. То есть, когда пол движется вверх, пьезоны блокируется; когда пол движется вниз, они расширяются.

Трехосевая конструкция расширяет управление по всем шести степеням свободы. Такие системы по своей природе являются надежными, поскольку резонансы полезной нагрузки отфильтровываются на внутренней поверхности, а датчик монтируется на эту поверхность, она может быть спроектирована для достижения очень высокой жесткости -> 1000 Гц. Поэтому настройки усиления могут быть агрессивными с частой полосой пропускания до 150 Гц, что приводит к очень высоким уровням затухания вибрации с небольшим риском нестабильности.

Этот подход особенно эффективен на низких частотах, по сравнению с пассивными воздушными изоляторами улучшение достигает до двух порядков в диапазоне 1-3 Гц. Кроме того, поддержка жестких креплений дает дополнительное преимущество в поддержании позиционной стабильности полезной нагрузки по отношению к внешним оптическим источникам, что невозможно с поддержкой воздушными изоляторами.

Рис.2. Типы передаточных функций: когда виброизоляционные системы "сложены", передаточные функции аддитивны; заштрихованная область линии показывает улучшение при переходе от пассивной воздушной изоляции на "сложенную"  воздушную на активной последовательного типа.

Несмотря на то, что подход с последовательным типом обеспечивает значительные улучшения на очень низких частотах, на более высоких частотах мало пользы. Поскольку пассивная опорная пружина намного жестче, чем традиционная пассивная пневматическая пружина, на более высоких частотах меньше изоляции. В диапазоне 10-30 Гц активные системы серийного типа не обеспечивают лучшего ослабления вибрации, чем пассивные самовыравнивающиеся опоры для воздушной изоляции.

"Двухступенчатые" системы для изоляции> 10 Гц

Размещение активной системы подавления под пассивной предусматривает два этапа изоляции. Например, при 30 дБ затухания при 10 Гц активно и 30 дБ затухания при падении 10 Гц, достигается 60 дБ полного затухания при 10 Гц (см. Рисунок 2). И поскольку архитектура последовательного типа является активным жестким креплением, можно не бояться нестабильности или перекрестных помех между изолирующей системой. Жесткая пружина на 15-20 Гц является достаточно жесткой, чем пассивная пневматическая пружина 2 Гц, обеспечивает большую стабильность.

К сожалению, этот подход является неудобным и громоздким. Лучшим подходом является интегрированная двухступенчатая система пассивная – над - активной (см. Рис.3). Такие системы в настоящее время коммерчески доступны с шестью рабочими степенями свободы и вобрали в себя лучшее от двух этих систем: агрессивное подавление низкочастотных вибраций, стабильная архитектуры с двумя этапами виброизоляции, поскольку затухание воздушных изоляторов и пьезоизоляторов является аддитивным.

Пассивно-сверхактивные системы принимаются для некоторых наиболее чувствительных применений, включая одномолекулярную биофизику, многофотонную визуализацию, атомно-силовую микроскопию, конфокальную микроскопию и интерферометрические исследования больших образцов, где желательно суб-нанометровое и даже субандроморфное разрешение. Поскольку разрешение запрашивается на все меньших масштабах, быстрые достижения в технологии виброизоляции гарантируют, что вибрация пола не должна быть критическим ограничивающим фактором.

Рис.3 Пассивные оптические столы TMC: Разработчики постоянно пытаются улучшить эффективность оптических столов, устанавливая пассивные оптические столы на активные системы подавления вибраций с неподвижным (жестким монтажем) (рис.3 а), однако доступные на коммерческом рынке двухступенчатые (пассивные на активных) системы (рис.3 b) могут обеспечить подавление на 20-30 дБ лучше в широком диапазоне частот.

ПОСМОТРЕТЬ СИСТЕМЫ ПОДАВЛЕНИЯ ВИБРАЦИЙ TMC>>

Официальный дистрибьютор компании TMC в России - ООО" Серния Инжиниринг". Специалисты  компании " Серния Инжиниринг" проконсультируют Вас относительно применения антивибрационных платформ и оптических столов TMC, помогут определиться с выбором необходимой модели, доставят и инсталлируют установку.
Вы также можете  заказать в компании "Серния Инжиниринг" услуги по измерению уровня вибраций и электромагнитных помех.