位移臺及其驅(qū)動器的選擇會對實驗結(jié)果產(chǎn)生至關重要的影響。下文將逐一介紹相關的核心參數(shù),包括時間延遲窗口長度、最小運動步進、重復定位精度、偏移量、絕對精度和機械誤差等。
時間延遲窗口長度
這是選擇直線位移臺首先要考慮的參數(shù)。延遲窗口長度T指光束經(jīng)過中空回射系統(tǒng)并返回所經(jīng)歷的時間,與位移臺的行程L直接相關。對于采用單回路的時間延遲線設計,
T = 2*L/c
其中c是真空中的光速。
延遲步進分辨率
其次要考慮的是延遲步進分辨率(Δτ),它取決于位移臺的最小運動增量(MIM)
Δτ = 2*MIM/c
重復定位精度
與最小運動步進同樣重要的是位移臺的重復定位精度,亦即系統(tǒng)多次重復到達同一指定位置時的偏差(上圖紅色曲線)。典型的時間分辨實驗中,直線位移臺需要掃描特定的距離(由分析樣品所需的時間延遲計算得出),以記錄信號隨時間延遲的變化。重復掃描并取平均值可以提升信號質(zhì)量并降低信躁比,因此需要位移臺有較高的重復定位精度。
偏移量
平整度和直線度表征了理想直線運動的偏移量,分別垂直于水平和豎直平面上的運動。俯仰(Pitch)和偏擺(Yaw)指圍繞運動方向正交軸(y,z)的轉(zhuǎn)動,而翻滾(Roll)是圍繞運動方向軸的轉(zhuǎn)動,如下圖所示。
在泵浦——探測(Pump-Probe)時間分辨實驗中,泵浦和探測光束在目標樣品處實現(xiàn)空間重合,而它們的相對時間延遲則通過位移臺的掃描來實現(xiàn)。位移臺的偏移,尤其是角方向上的偏移,會影響掃描過程中的空間重合度。兩束光重合的位置距離延遲線越遠,位移臺的俯仰和偏擺造成的空間偏移量便越大。
絕對精度
指令位置與實際到達位置的匹配度,即是位移臺的絕對精度。如果絕對精度較低,可能會引起測試結(jié)果的畸變,導致一些假的動力學特征。位移臺的驅(qū)動方式(螺桿、滾珠、傳動帶或直線電機)和反饋決定其絕對精度。絲杠和滾珠驅(qū)動的位移臺可以提供良好的最小運動增量。但大部分情況下,它們都采用開環(huán)控制設計,沒有位置反饋,所以絕對精度較低。直線電機驅(qū)動的系統(tǒng)不同于螺桿驅(qū)動,不存在齒隙的問題。此外,直線電機受熱膨脹的影響較小,所以絕對精度較高。
反饋裝置相對于電機的距離也會直接影響到運動控制系統(tǒng)的絕對精度。
機械誤差
對于線性或單調(diào)遞增的誤差,如余弦誤差、螺桿俯仰誤差、測量點的角度偏差(阿貝誤差)以及熱膨脹效應。它們可以通過線性誤差補償來彌補,如上圖所示,通過線性補償進行糾正。
補償后精度=補償前精度- (斜率x位移)
非線性誤差則需借助激光干涉儀來進行誤差補償。根據(jù)精度需求選擇不同數(shù)量的點,每移動到一個點記錄該位置的誤差,再通過控制器計算,以進行誤差補償。帶有線性編碼器的位移臺在經(jīng)過補償后,最終精度可達到數(shù)百納米。
上文列舉了選擇延遲線需要考慮的主要因素。Newport生產(chǎn)搭建延遲線所需要的多種位移臺、控制器和回射裝置,歡迎您的咨詢。
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