如何選擇光學延遲線

如何選擇光學延遲線

光學延遲線通過掃描改變兩束光之間的光程差，在時間分辨超快光譜學或分子動力學實驗中*。典型的光學延遲線搭建方法，是將中空回射鏡（Retro-reflector）或兩面反射鏡置于直線位移臺上，如下圖所示。

位移臺及其驅動器的選擇會對實驗結果產生至關重要的影響。下文將逐一介紹相關的核心參數，包括時間延遲窗口長度、小運動步進、重復定位精度、偏移量、絕dui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。延遲窗口長度T指光束經過中空回射系統并返回所經歷的時間，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），它取決于位移臺的小運動增量（MIM）

Δτ = 2*MIM/c

重復定位精度

與小運動步進同樣重要的是位移臺的重復定位精度，亦即系統多次重復到達同一位置時的偏差（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）的轉動，而翻滾（Roll）是圍繞運動方向軸的轉動，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。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dui精度

指令位置與實際到達位置的匹配度，即是位移臺的絕dui精度。如果絕dui精度較低，可能會引起測試結果的畸變，導致一些假的動力學特征。位移臺的驅動方式（螺桿、滾珠、傳動帶或直線電機）和反饋決定其絕dui精度。絲杠和滾珠驅動的位移臺可以提供良好的小運動增量。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dui精度較低。直線電機驅動的系統不同于螺桿驅動，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dui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的絕dui精度。

機械誤差

 對于線性或單調遞增的誤差，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。根據精度需求選擇不同數量的點，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過補償后，終精度可達到數百納米。

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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