如何選擇光學(xué)延遲線

光學(xué)延遲線通過(guò)掃描改變兩束光之間的光程差，在時(shí)間分辨超快光譜學(xué)或分子動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)中*。典型的光學(xué)延遲線搭建方法，是將中空回射鏡（Retro-reflector）或兩面反射鏡置于直線位移臺(tái)上，如下圖所示。

位移臺(tái)及其驅(qū)動(dòng)器的選擇會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生至關(guān)重要的影響。下文將逐一介紹相關(guān)的核心參數(shù)，包括時(shí)間延遲窗口長(zhǎng)度、小運(yùn)動(dòng)步進(jìn)、重復(fù)定位精度、偏移量、絕dui精度和機(jī)械誤差等。

時(shí)間延遲窗口長(zhǎng)度

這是選擇直線位移臺(tái)首先要考慮的參數(shù)。延遲窗口長(zhǎng)度T指光束經(jīng)過(guò)中空回射系統(tǒng)并返回所經(jīng)歷的時(shí)間，與位移臺(tái)的行程L直接相關(guān)。對(duì)于采用單回路的時(shí)間延遲線設(shè)計(jì)，

T = 2*L/c

其中c是真空中的光速。

延遲步進(jìn)分辨率

其次要考慮的是延遲步進(jìn)分辨率（Δτ），它取決于位移臺(tái)的小運(yùn)動(dòng)增量（MIM）

Δτ = 2*MIM/c

重復(fù)定位精度

與小運(yùn)動(dòng)步進(jìn)同樣重要的是位移臺(tái)的重復(fù)定位精度，亦即系統(tǒng)多次重復(fù)到達(dá)同一位置時(shí)的偏差（上圖紅色曲線）。典型的時(shí)間分辨實(shí)驗(yàn)中，直線位移臺(tái)需要掃描特定的距離（由分析樣品所需的時(shí)間延遲計(jì)算得出），以記錄信號(hào)隨時(shí)間延遲的變化。重復(fù)掃描并取平均值可以提升信號(hào)質(zhì)量并降低信躁比，因此需要位移臺(tái)有較高的重復(fù)定位精度。

偏移量

平整度和直線度表征了理想直線運(yùn)動(dòng)的偏移量，分別垂直于水平和豎直平面上的運(yùn)動(dòng)。俯仰（Pitch）和偏擺（Yaw）指圍繞運(yùn)動(dòng)方向正交軸（y，z）的轉(zhuǎn)動(dòng)，而翻滾（Roll）是圍繞運(yùn)動(dòng)方向軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，如下圖所示。

在泵浦——探測(cè)（Pump-Probe）時(shí)間分辨實(shí)驗(yàn)中，泵浦和探測(cè)光束在目標(biāo)樣品處實(shí)現(xiàn)空間重合，而它們的相對(duì)時(shí)間延遲則通過(guò)位移臺(tái)的掃描來(lái)實(shí)現(xiàn)。位移臺(tái)的偏移，尤其是角方向上的偏移，會(huì)影響掃描過(guò)程中的空間重合度。兩束光重合的位置距離延遲線越遠(yuǎn)，位移臺(tái)的俯仰和偏擺造成的空間偏移量便越大。

絕dui精度

指令位置與實(shí)際到達(dá)位置的匹配度，即是位移臺(tái)的絕dui精度。如果絕dui精度較低，可能會(huì)引起測(cè)試結(jié)果的畸變，導(dǎo)致一些假的動(dòng)力學(xué)特征。位移臺(tái)的驅(qū)動(dòng)方式（螺桿、滾珠、傳動(dòng)帶或直線電機(jī)）和反饋決定其絕dui精度。絲杠和滾珠驅(qū)動(dòng)的位移臺(tái)可以提供良好的小運(yùn)動(dòng)增量。但大部分情況下，它們都采用開(kāi)環(huán)控制設(shè)計(jì)，沒(méi)有位置反饋，所以絕dui精度較低。直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的系統(tǒng)不同于螺桿驅(qū)動(dòng)，不存在齒隙的問(wèn)題。此外，直線電機(jī)受熱膨脹的影響較小，所以絕dui精度較高。

反饋裝置相對(duì)于電機(jī)的距離也會(huì)直接影響到運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的絕dui精度。

機(jī)械誤差

 對(duì)于線性或單調(diào)遞增的誤差，如余弦誤差、螺桿俯仰誤差、測(cè)量點(diǎn)的角度偏差（阿貝誤差）以及熱膨脹效應(yīng)。它們可以通過(guò)線性誤差補(bǔ)償來(lái)彌補(bǔ)，如上圖所示，通過(guò)線性補(bǔ)償進(jìn)行糾正。

補(bǔ)償后精度=補(bǔ)償前精度- (斜率x位移)

非線性誤差則需借助激光干涉儀來(lái)進(jìn)行誤差補(bǔ)償。根據(jù)精度需求選擇不同數(shù)量的點(diǎn)，每移動(dòng)到一個(gè)點(diǎn)記錄該位置的誤差，再通過(guò)控制器計(jì)算，以進(jìn)行誤差補(bǔ)償。帶有線性編碼器的位移臺(tái)在經(jīng)過(guò)補(bǔ)償后，終精度可達(dá)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(tái)、控制器和回射裝置，歡迎您的咨詢。

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