镜架的热稳定性

无论您是实验室研究人员还是光学设备制造商，您都会关注温度变化对光学系统的影响。当环境温度发生变化时，一个稳定的镜架将会改善光学系统的性能。例如，使用热稳定镜架的激光器的功率稳定性比使用劣质镜架的激光器更好。您不仅要关注仅仅几摄氏度的温度变化，您可能还要了解这个系统在几十年的温度变化后系统功能如何。如果要运送这些设备，您将会关心飞机、卡车或火车上的环境是否满足设备运输环境要求，如果满足要求，设备在到达客户现场后将不需要重新调节。

优化设计以减少热漂移

为了尽量减少由于热效应造成的漂移，不仅要考虑镜架所使用的材料，还要考虑镜架的设计和关节。

材料

热膨胀会导致零件的大小和形状发生变化，材料的热特性用热膨胀系数表征。尺寸变化量取决于材料种类、尺寸和温度变化，公式：ΔL=aLΔT

其中，ΔL为尺寸变化，a为材料热膨胀系数，L为某一方向上的组件长度，ΔT为温度变化。铝、黄铜和不锈钢是最常见的用于制造光机械部件的材料。如表1所示，铝对温度变化的敏感度是不锈钢的两倍，这就是为什么干涉稳定性的应用经常使用不锈钢材料。然而，请注意，相比不锈钢和黄铜，铝的导热系数要高得多，因此更适用于需要迅速散热的应用，比如热梯度可能产生严重形变的应用。

表1 材料热性能

镜架结构

不可逆的镜架移位会导致光路漂移，为了最小化镜架移位，镜架的设计就显得非常重要。例如，薄片弯曲式镜架热稳定性最差，因为镜架中最关键的薄片元件，具有相对较小的热质量，容易受环境温度变化的影响。随着薄片的加热和冷却，受热不均导致镜架扭曲变形。性能最好的镜架采用真正的运动学设计原理，在六个独立自由度中，每一个自由度都存在一个物理约束。动态镜架有两种类型：“v字型、圆锥型和扁平型”镜架；“三v字型”镜架，参见图1。在所有情况下，您还需要考虑每个促动器或调节螺钉的长度，如果它们的长度不同（比如顶部驱动镜架），那么就会出现一些变形，因为它们的膨胀量不同。

图1不同镜架满足不同需求  （a）“v字型、圆锥型和扁平型”镜架（b）“三V字型”镜架   （c）薄片弯曲式镜架

关节

除了了解温度变化对材料和特定设计结构的影响外，了解温度变化时镜架关节的表现也很重要。温度变化导致润滑脂流动和镜架应力释放，进而导致镜架不可逆的位置变化。因此，理想的关节应尽量减少润滑脂，同时减少摩擦，因此有比较小的压力。在一个低摩擦的关节处，每个球都位于镜架的圆锥型、v字型或扁平型位置处。弹簧的恢复力将镜架前板尽可能地拉向后板，使其处于独特的支持点上。然而，如果存在较大摩擦力，比如当镜架上比较粗糙时，小球就不会有一个单独的支撑点。当受温度、冲击或振动时，出现一些滑移，部件就会移动。在这种情况下，镜架不再是真正的动态镜架，长期稳定性也不好。因此，一个好的关节处使用蓝宝石或硬化的钢垫来减少摩擦。

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