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如何选择光学延迟线
发布时间:2020-08-17   点击次数:91次

如何选择光学延迟线

光学延迟线通过扫描改变两束光之间的光程差,在时间分辨超快光谱学或分子动力学实验中不可或缺。典型的光学延迟线搭建方法,是将中空回射镜(Retro-reflector)或两面反射镜置于直线位移台上,如下图所示。

位移台及其驱动器的选择会对实验结果产生至关重要的影响。下文将逐一介绍相关的核心参数,包括时间延迟窗口长度、最小运动步进、重复定位精度、偏移量、绝dui精度和机械误差等。

 

时间延迟窗口长度

这是选择直线位移台首先要考虑的参数。延迟窗口长度T指光束经过中空回射系统并返回所经历的时间,与位移台的行程L直接相关。对于采用单回路的时间延迟线设计,

T = 2*L/c

其中c是真空中的光速。

 

延迟步进分辨率

其次要考虑的是延迟步进分辨率(Δτ),它取决于位移台的最小运动增量(MIM

Δτ = 2*MIM/c

 

重复定位精度

与最小运动步进同样重要的是位移台的重复定位精度,亦即系统多次重复到达同一指定位置时的偏差(上图红色曲线)。典型的时间分辨实验中,直线位移台需要扫描特定的距离(由分析样品所需的时间延迟计算得出),以记录信号随时间延迟的变化。重复扫描并取平均值可以提升信号质量并降低信躁比,因此需要位移台有较高的重复定位精度。

 

偏移量

平整度和直线度表征了理想直线运动的偏移量,分别垂直于水平和竖直平面上的运动。俯仰(Pitch)和偏摆(Yaw)指围绕运动方向正交轴(yz)的转动,而翻滚(Roll)是围绕运动方向轴的转动,如下图所示。

 

在泵浦——探测(Pump-Probe)时间分辨实验中,泵浦和探测光束在目标样品处实现空间重合,而它们的相对时间延迟则通过位移台的扫描来实现。位移台的偏移,尤其是角方向上的偏移,会影响扫描过程中的空间重合度。两束光重合的位置距离延迟线越远,位移台的俯仰和偏摆造成的空间偏移量便越大。

 

 

绝dui精度

指令位置与实际到达位置的匹配度,即是位移台的dui精度。如果dui精度较低,可能会引起测试结果的畸变,导致一些假的动力学特征。位移台的驱动方式(螺杆、滚珠、传动带或直线电机)和反馈决定其dui精度。丝杠和滚珠驱动的位移台可以提供良好的最小运动增量。但大部分情况下,它们都采用开环控制设计,没有位置反馈,所以dui精度较低。直线电机驱动的系统不同于螺杆驱动,不存在齿隙的问题。此外,直线电机受热膨胀的影响较小,所以dui精度较高。

 

反馈装置相对于电机的距离也会直接影响到运动控制系统的dui精度。

 

机械误差

 对于线性或单调递增的误差,如余弦误差、螺杆俯仰误差、测量点的角度偏差(阿贝误差)以及热膨胀效应。它们可以通过线性误差补偿来弥补,如上图所示,通过线性补偿进行纠正。

补偿后精度=补偿前精度- (斜率x位移)

 

非线性误差则需借助激光干涉仪来进行误差补偿。根据精度需求选择不同数量的点,每移动到一个点记录该位置的误差,再通过控制器计算,以进行误差补偿。带有线性编码器的位移台在经过补偿后,最终精度可达到数百纳米。

 

上文列举了选择延迟线需要考虑的主要因素。Newport生产搭建延迟线所需要的多种位移台、控制器和回射装置,欢迎您的咨询。

 

 

 

 

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