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Fortschritte bei optischen Tischen dämpfen Schwingungen bei hochsensiblen Anwendungen

Das Rückgrat jedes Photoniklabors ist ein optischer Tisch. Komplexe optoelektronische Systeme erfordern die spezifischen Eigenschaften von optischen Tischen, darunter Steifigkeit, Dämpfung, Ebenheit, Sauberkeit, Anordnungen von Gewindebohrungen und ein einheitlicher Wärmeausdehnungskoeffizient. Die wichtigste Eigenschaft ist jedoch die Bereitstellung einer extrem ruhigen und stabilen Arbeitsoberfläche.

Optische Tische isolieren Bodenschwingungen durch die Kombination einer extrem steifen, strukturell gedämpften Stahltischplatte mit Wabenstruktur und Standfüßen mit niederfrequenter Schwingungsisolation. So wird ein Feder-Masse-Dämpfer-System mit sechs Freiheitsgraden (DOF) geschaffen, wobei die Waben-Tischplatte als die idealisierte, unendlich steife Masse und der Standfuß mit Schwingungsisolation als gedämpfte Feder fungiert.

Ein Feder-Masse-Dämpfungssystem hat eine charakteristische Resonanzfrequenz (fn), bei der er Schwingungen verstärkt. Oberhalb von etwa 1,4 × fn beginnt er zu isolieren und die Isolation erhöht sich mit steigender Frequenz. Die Verstärkung bei Resonanz und die Isolationskurve hängen vom Dämpfungskoeffizienten des Isolators ab. Ein typischer Standfuß beginnt Bodenschwingungen oberhalb von 3-4 Hz zu isolieren. Eine effiziente Tischplatte ist äußerst steif, mit einer ersten Biegeeigenschwingung bei über 100 Hz und effektiv durch innerhalb der Honigwabenstruktur montierte Dämpfungselemente gedämpften Eigenschwingungen.

Aufgrund der Resonanzfrequenzen von über 100 Hz werden Schwingungen, die die Tischplatte durch die Isolatoren oder andere Wege erreichen, im kritischen Frequenzbereich, in dem optoelektronische Geräte besonders empfindlich sind, – also zwischen 0,5 und 30 Hz – nicht verstärkt. Schwingungsdämpfung ist jedoch nicht das Problem – neue Entwürfe optischer Tische mit zwei übereinander angeordneten Schwingungsisolationssystemen verbessern stattdessen die Tischstabilität in dieser kritischen Region durch die Isolation von niederfrequenten Schwingungen, sodass selbst empfindlichste Multiphotonen-Mikroskopaufnahmen und Untersuchungen in der Einzelmolekül-Biophysik durchgeführt werden können.

Dämpfung im Vergleich zu Isolation

Schwingungsdämpfung und -isolation sind verschiedene Eigenschaften, die fälschlicherweise oft synonym verwendet werden. Dämpfung ist die Umwandlung von mechanischer Energie in Wärme, was sowohl auf die Tischplatte als auch den Standfuß mit Schwingungsisolation zutrifft. Energie, welche die isolierte Struktur erreicht, muss abgeleitet (in Wärme umgewandelt) werden. In die Tischplatte eingebaute Feder-Masse-Dämpfer dämpfen Verbiegungen der Platte oberhalb der ersten Biegeeigenschwingung desselben (oberhalb von 100 Hz). Wird das optische Tischsystem gestört, so werden die pneumatischen Isolatoren bei ihrer Resonanzfrequenz (1-3 Hz) angeregt. Diese Bewegung wird über Düsen, Stoßdämpfer und andere in die pneumatischen Isolatoren eingebaute Vorrichtungen abgeleitet und die Energie in Wärme umgewandelt.

Isolation andererseits ist die Reduzierung von Bodenschwingungen, welche die Traglast erreicht, mittels Mechanismen im Standfuß des Isolators. Eine aktive Dämpfung der Platte durch in diese eingebaute elektromagnetische Vorrichtungen ist als Dämpfung, nicht als Isolation anzusehen, da diese Schwingungen nicht davon abhält, das Oberteil zu erreichen, sondern diese dämpft.

In der Vergangenheit konzentrierten sich Verbesserungen des Schwingungsverhaltens von optischen Tischen auf die Erhöhung der Strukturdämpfung des Oberteils, wobei das Ziel war, die durch die Stahl-Wabenstruktur-Technologie erreichten, extrem hohen Verhältnisse von Steifigkeit zu Gewicht mit einer hohen Strukturdämpfung und einer geringen Verstärkung bei Resonanz zu kombinieren.

Im Allgemeinen waren diese Versuche erfolgreich und die besten Tischplatten erreichten eine kritische Dämpfung bei ihren niedrigsten Resonanzfrequenzen. Auch wenn hiermit bisher gute Erfolge erzielt wurden, bieten weitere Verbesserungen nur noch geringen zusätzlichen Nutzen. Bis vor Kurzem gab es weniger Fortschritte bei Isolationssystemen, welche die Tischplatten gegen Bodenschwingungen abschirmen.

Die Herausforderung der niederfrequenten Isolation

Im gleichen Maß, wie Wissenschaftler und Ingenieure versuchen, in immer kleiner werdenden Maßstäben Messungen durchzuführen und höhere Auflösungen zu erreichen, werden die Anwendungen optischer Tische immer sensibler gegenüber niederfrequenten Bodenschwingungen. Solche Schwingungen im Bereich von 0,5-30 Hz können nicht einmal durch die steifsten und am besten gedämpften Tischplatten abgeschwächt werden.

Schwingungen in diesem Frequenzbereich, welche die isolierte Oberfläche erreichen, führen schlichtweg zu einer Starrkörperbewegung der Tischplatte. Um Schwingungen in diesem Frequenzbereich effektiv zu dämpfen, müssen diese stattdessen also isoliert werden, bevor sie die Tischplatte erreichen. Die besten Standfüße mit Schwingungsisolation bieten nur eine begrenzte Isolation in diesem Frequenzbereich. Sie bestehen üblicherweise aus passiven, selbstnivellierenden pneumatischen Isolatoren mit niedrigen vertikalen und horizontalen Resonanzfrequenzen, die Bodenschwingungen im Bereich von 1-4 Hz verstärken und oberhalb von 4 Hz isolieren.

Zur Verbesserung der Isolation bei niedrigen Frequenzen wurden Techniken zur aktiven Regelung der Isolatoren in den Standfüßen von optischen Tischen angewandt. Der Begriff „aktiv“ wird im Branchenjargon vage zur Beschreibung verschiedener Steuersysteme verwendet, welche einfache Regelungsmechanismen wie mechanische Selbstnivellierung oder pneumatische Isolatoren mit Druckreglern und mechanischen Verbindungen kombinieren.

Zur Klarstellung: Wenn wir den Begriff „aktiv“ verwenden, beziehen wir uns ausdrücklich auf aktive Systeme mit Regelungen, in welchen das Signal eines Trägheitssensors, wie etwa einem Geophon oder einem Beschleunigungssensor (die jeweils Geschwindigkeit oder Beschleunigung messen), konditioniert, verstärkt und letztendlich in einem Regelkreis zur Dämpfung ungewollter Schwingungen durch einen elektromechanischen oder sonstigen Aktor eingesetzt wird.

Aktive Systeme mit geschlossenem Regelkreis
Schematische Darstellung serieller und paralleler Schwingungsisolation

Es werden parallele und serielle aktive Schwingungsdämpfungssysteme dargestellt, bei denen die Feder und der Dämpfungs-Aktor entweder parallel und seriell geschaltet sind

Die ersten Versionen von aktiven Systemen mit geschlossenem Regelkreis waren parallel geschaltete Konfigurationen, in denen der Trägheitssensor an der isolierten Oberfläche angebracht und der Dämpfungs-Aktor mit Federn (Luftfedern), welche die isolierte Oberfläche tragen, parallel montiert ist. Dieser Ansatz kann die Resonanzschwingungen des pneumatisch isolierten Ständers im Bereich von 1-4 Hz effektiv dämpfen.

Versuche, größere Bandbreiten mit diesem Ansatz zu isolieren, stießen jedoch auf Schwierigkeiten, da die Sensoren nicht zwischen Starrkörperbewegung der Tischplatte und Strukturresonanzen der isolierten Traglast unterscheiden können. Das Steuerungssystem wird versuchen, beide zu dämpfen, was zur Instabilität des Systems führt. Auch wenn man den Kompromiss einging, die Bandbreite solcher Systeme auf <8 Hz zu beschränken und so die Resonanzverstärkung der pneumatischen Isolatoren effektiv zu dämpfen sowie die Stabilität zu verbessern, wird die Schwingungsisolation über den weiten Bereich von 0,5-30 Hz hierdurch kaum gesteigert. <8 Hz, effectively suppressing resonant amplification of the air isolators and improving stability, it does little to improve vibration isolation over the broad 0.5-30 Hz range.>

Ein alternativer Ansatz wurde mit der seriell geschalteten Konfiguration entwickelt. Hier werden die Feder und der Dämpfungs-Aktor in Serie angeordnet. Der Sensor ist an einer ultrasteifen inneren Masse angebracht, welche die Traglast durch eine steife 15-20-Hz-Feder trägt. Der Aktor stützt die innere Masse auf den Boden.

Bei diesem Ansatz können keine Linearmotoren und sonstiger konventionelle Aktoren eingesetzt werden, da die Aktoren in einer seriellen Konfiguration das statische Gewicht der Tischplatte tragen müssen. Durch die Weiterentwicklungen in der piezoelektrischen Aktorentechnologie werden Piezos zur optimalen Wahl für serielle Konfigurationen, da sie mittlerweile so konstruiert werden können, dass sie in der Lage sind, große statische Massen zu tragen, und gleichzeitig über ein ausgezeichnetes Ansprechverhalten für sehr kleine Verschiebungen verfügen.

In dieser Ausführung wird die Bodenschwingung an der inneren Masse erfasst, während sie durch den steifen Aktor übertragen wird. Die Regelschleife wird an der inneren Masse geschlossen, da die Aktoren Bodenvibrationen vor dem Erreichen der inneren Masse „herausfiltern“. Das bedeutet, wenn der Boden sich nach oben bewegt, ziehen sich die Aktoren zusammen; bewegt sich der Boden nach unten, dehnen sie sich aus.

Eine dreiachsige Konstruktion erweitert dieses Regelverhalten auf alle sechs Freiheitsgrade. Solche Systeme sind von Natur aus robust, da die Resonanzen der Traglast vor dem Erreichen der inneren Masse durch die steife Feder herausgefiltert werden und der Sensor an der inneren Masse angebracht ist, die so konstruiert werden kann, dass die erforderliche äußerst hohe Steifigkeit erreicht wird – >1000 Hz. Es können somit hohe innere Verstärkungen gewählt werden, bei denen regelmäßig Bandbreiten von bis zu 150 Hz erreicht werden, was zu einem hohen Grad von Schwingungsdämpfung bei geringem Risiko der Instabilität führt.

Dieser Ansatz ist besonders effektiv bei niedrigen Frequenzen, wo gegenüber den passiven pneumatischen Isolatoren im Bereich von 1-3 Hz Verbesserungen um bis zu zwei Größenordnungen erreicht werden können. Zusätzlich bietet die steife Aufnahme den zusätzlichen Vorteil, dass die Lagestabilität der Tragelast zu externen Strahlenquellen beibehalten wird, was mit weichen pneumatischen Ständern nicht möglich ist.

Doch auch wenn dieser serielle Ansatz dramatische Verbesserungen bei sehr niedrigen Frequenzen bietet, so zeigt dieser weniger Nutzen bei höheren Frequenzen. Da das passive Federelement wesentlich steifer als ein herkömmlicher, passiver pneumatischer Isolator ist, bietet es weniger Isolation bei höheren Frequenzen. Im Bereich von 10-30 Hz bieten serielle aktive Systeme keine bessere Schwingungsdämpfung als passive, selbstnivellierende pneumatische Isolationssysteme.

Übereinander angeordnete Systeme für Schwingungsisolation >10 Hz

Immer auf der Suche nach innovativeren Lösungen haben Wissenschaftler mit übereinander angeordneten Systemen experimentiert, indem sie ein serielles aktives System unter einem passiven pneumatischen Isolator positionierten. Solche Systeme bieten die kombinierte Isolation beider Subsysteme, da sich die Übertragungsfunktionen addieren.

Vergleich der Übertragungsfunktion parallel vs. seriell vs. übereinander angeordnet

In der Praxis bietet dieser Ansatz zwei Isolationsstufen: eine aktive und eine passive. Zum Beispiel wird bei einer aktiven Dämpfung von 30 dB bei 10 Hz und einer passiven Dämpfung von 30 dB bei 10 Hz eine Gesamtdämpfung von 60 dB bei 10 Hz erreicht. Und da die serielle Architektur ein steifes aktives System ist, kann es ohne die Gefahr von Instabilität oder gegenseitiger Beeinflussung der Isolationssysteme kaskadiert werden. Die Steifigkeit der 15-20-Hz-Feder mit steifer Aufhängung ist gegenüber dem passiven pneumatischen 2-Hz-Isolator hoch genug, um eine ausreichende Impedanz-Fehlanpassung zu bewirken, welche Stabilität sicherstellt.

Leider ist diese Eigenbauversion von übereinander gestapelten Systemen umständlich und mühsam. Ein besserer Ansatz ist ein integriertes, zweistufiges Isolationssystem, bei dem die passive Stufe über der aktiven angeordnet ist. Solche Systeme sind jetzt mit Funktion in sechs Freiheitsgraden auf dem Markt verfügbar und bieten des Beste aus beiden Welten: aggressive, niederfrequente Schwingungsdämpfung aufgrund einer von Natur aus stabilen Architektur mit zweistufiger Schwingungsisolation, da sich die Dämpfung der pneumatischen Isolatoren und der Piezo-Isolatoren addiert.

Experiment mit übereinander angeordneten parallelen und seriellen Schwingungsisolatoren

Forscher versuchen, durch die kaskadierte Anordnung von passiven Isolatoren für optische Tische auf einem steifen aktiven System die Leistung derselben zu verbessern

TMC LaserTable-Base

Die LaserTable-Base kann eine um 20-30 dB bessere Isolation über einen breiten Frequenzbereich hinweg erreichen

Systeme mit übereinander angeordneter passiver und aktiver Stufe werden vermehrt für einige der empfindlichsten Anwendungen eingesetzt, darunter Einzelmolekül-Biophysik, Multiphoton-Mikroskopie, Rasterkraftmikroskopie, Konfokalmikroskopie und Interferometrieuntersuchungen mit großen Proben, bei denen Auflösungen im Sub-Nanometer-Bereich oder sogar Sub-Angström-Bereich erwünscht sind. Da Auflösungen in immer kleineren Maßstäben angestrebt werden, sind schnelle Fortschritte bei der Schwingungsisolationstechnologie erforderlich, um sicherzustellen, dass Bodenschwingungen keinen kritischen limitierenden Faktor mehr darstellen.

Dieser Artikel wurde in LaserFocusWorld veröffentlicht
Autor: Steve Ryan, Divisional VP, TMC

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