基于磁桿直線電機的光學(xué)延遲線研究

茆亞洲，邱 亮

（上海理工大學(xué) 光學(xué)信息與計算機工程學(xué)院，上海 200093）

引 言

太赫茲時域光譜技術(shù)是20世紀(jì)末發(fā)展起來的一種新型光譜技術(shù)[1]，在生物醫(yī)藥檢測、國防反恐安檢等諸多領(lǐng)域具有較大的潛在應(yīng)用價值。其基本原理是利用同一臺激光器產(chǎn)生兩束激光，一束進入發(fā)射天線輻射出太赫茲波，透過樣品，另一束激光經(jīng)過光學(xué)延遲[2]裝置進入探測天線，從而得到經(jīng)過樣品的太赫茲波時域信號，之后進行頻譜變換即可獲得太赫茲光譜的幅值和相位信息[3]。其中，為了滿足對太赫茲時域脈沖的實時測量，通常采用等效時間采樣的方法[1]，而要實現(xiàn)等效時間采樣，必須解決三個技術(shù)問題：一是待測信號具有周期重復(fù)性；二是具有超短采樣信號；三是具有對于待測信號能夠發(fā)生相對位移或相移[4]的探測信號。其中前兩者完美契合太赫茲波的探測需求，不需考慮，而第三個要求通常使用光學(xué)延遲線的移動來調(diào)整太赫茲脈沖與探測脈沖的相對延遲[5]。

就目前市面上的光學(xué)延遲線，最常用的有美國Moticont公司的音圈電機和美國高光科技的系列光學(xué)延遲裝置等。其中音圈電機因其只能提供大約300 ps的延遲范圍，并且光學(xué)延遲分辨率僅有約1.3 fs，應(yīng)用受到諸多限制[6]。

而美國高光科技的系列延遲線，本文以最新款MDL002型為例進行說明，該裝置采用德國 FAULHABER（馮哈伯）的微型直流電機1524T012S，通過螺紋間距為0.301 2 mm的絲桿構(gòu)建動力傳動系統(tǒng)，以達(dá)到角錐棱鏡[7]在空間精確反復(fù)運動的目的。而該架構(gòu)存在諸多弊端：一是微型直流電機采用直流驅(qū)動，扭矩小，動力不足，難以實現(xiàn)高加減速移動；二是編碼器RIE2-5124811通過碼盤刻度識別，與角錐棱鏡的直線位置存在嚴(yán)重誤差，同時該編碼器將離散的位置信息反饋給主控板，系統(tǒng)在閉環(huán)控制中對位置環(huán)數(shù)據(jù)存在嚴(yán)重精度不足；三是控制要素缺失，在動力驅(qū)動系統(tǒng)中，完整的閉環(huán)鏈路有位置環(huán)[8-9]和速度環(huán)[10]，而目前的架構(gòu)只有精度嚴(yán)重不足的位置環(huán)數(shù)據(jù)，無法構(gòu)建最基本的閉環(huán)控制環(huán)路[11]。上述原因直接導(dǎo)致該型號的延遲分辨率只有1 fs （0.3 μm的位置定位精度）。此外，美國高光科技MDL002型延遲線只支持簡單的指令設(shè)置和控制，致使研究人員只能配合其工作，遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法滿足二次開發(fā)需求。并且該款延遲線最大支持連續(xù)工作時長僅為10 min。還有該款延遲線長時間使用之后，絲桿磨損和容易被灰塵異物卡死的問題，進一步增加了位置反饋精度誤差。

為了解決上述問題，本文提出了一種采用型號為PM.SS1610磁桿直線電機作為動力驅(qū)動裝置，同時裝載光柵測量系統(tǒng)的延遲線改進方案。該方案的傳動裝置采用磁桿代替?zhèn)鹘y(tǒng)的螺紋絲桿，避免了因絲桿磨損而造成的反饋精度誤差，同時可提供高達(dá)255 N的峰值推力和85 N的平均推力。方案還通過裝載光柵測量系統(tǒng)，對延遲線形成位置環(huán)閉環(huán)控制。實現(xiàn)了長距離內(nèi)可以高速精準(zhǔn)往復(fù)運動，并提供高達(dá)512 ps的延時范圍和0.033 fs的光學(xué)延遲分辨率。從根本上解決了傳統(tǒng)和延遲線時間和延遲速度慢，光學(xué)延遲分辨率低等問題。

1 光學(xué)延遲線的改進方案

1.1 光學(xué)延遲基本原理

由等效采樣原理[1]可知，想要獲得完整的太赫茲時域脈沖信號，需要具有對待測信號能夠發(fā)生相對位移或相移的采樣信號，其中調(diào)整太赫茲脈沖信號與探測脈沖的相對時間延遲是通過光學(xué)延遲線的往復(fù)運動實現(xiàn)的?；驹砣鐖D1所示，由飛秒激光器分出兩束光分別是探測光和泵浦光，如圖1（a）探測光沿著水平方向入射到可移動的兩面互相垂直的角錐棱鏡上，實現(xiàn)對探測光脈沖的光程調(diào)節(jié)。例如圖中角錐棱鏡移動距離時，相應(yīng)光程差為，相應(yīng)時間延遲為

式中：c為光速；n為光學(xué)延遲線背景環(huán)境的折射率。然而延遲線位置的準(zhǔn)確性會影響后續(xù)探測的采樣時間，從而導(dǎo)致探測到的單周期太赫茲時域脈沖信號在振幅上存在誤差，具體分析如下：當(dāng)延遲線位于位置時，如果其偏移，則探測系統(tǒng)的采樣時間，即時間延遲將偏移[12]

圖1 延遲線與時域信號Fig. 1 Delay line and time-domain signal

由此可得到時間延遲的方差[12]

式中 tk=kτ ，為采樣間隔。測試信號的振幅的方差可表示為

由此得出，光學(xué)延遲線引起的位置誤差，會導(dǎo)致單周期太赫茲時域脈沖波形振幅產(chǎn)生抖動，從而嚴(yán)重影響信號的穩(wěn)定性。

1.2 改進方案設(shè)計

如上所述，在太赫茲時域光譜系統(tǒng)中，光學(xué)延遲線的性能指標(biāo)極大影響著對太赫茲脈沖信號的質(zhì)量，針對傳統(tǒng)光學(xué)延遲線存在的諸多問題，我們對延遲線的驅(qū)動方式和位置控制進行了改進，改進后的結(jié)構(gòu)如圖2所示，具體方案如下。

圖2 光學(xué)延遲線內(nèi)部結(jié)構(gòu)Fig. 2 Internal structure of optical delay line

我們采用PM.SS1610磁桿直線電機作為動力驅(qū)動裝置，該電機體積小，動力足，其核心是采用磁桿代替?zhèn)鹘y(tǒng)的螺紋絲桿作為傳動裝置，可以提供高達(dá)255 N的峰值推力和85 N的平均推力，非常適合長距離內(nèi)做高速循環(huán)往復(fù)運動。同時在延遲線上裝載光柵測量系統(tǒng)，通過光柵讀頭識別角錐棱鏡的絕對位置，再通過配套的電機驅(qū)動器搭建對延遲線的位置環(huán)和速度環(huán)的閉環(huán)回路控制系統(tǒng)，實現(xiàn)更加科學(xué)合理的PID[11]控制。從而實現(xiàn)了長距離內(nèi)高速精準(zhǔn)往復(fù)運動，并提供高達(dá)512 ps的延時范圍和0.01 μm的位置控制精度（0.033 fs的光學(xué)延遲分辨率）。此外，針對美國高光科技MDL002延遲線不支持二次開發(fā)和不能長時間連續(xù)工作的缺點，本方案選用copley的ACJ-055-18電機驅(qū)動器，支持底層程序的自主開發(fā)，可以根據(jù)不同的應(yīng)用場景隨時修改控制邏輯。同時將電機的傳動裝置和負(fù)載通過磁耦合，在空間上嚴(yán)格不接觸，從而降低電機運行過程中因為摩擦導(dǎo)致的發(fā)熱，經(jīng)過前期測試，可實現(xiàn)168 h連續(xù)工作。

1.3 改進方案的性能測試及分析

設(shè)置電機的延時掃描范圍為10 mm（對應(yīng)光學(xué)延遲為67 ps，理論上對應(yīng)250 000個脈沖，即一個脈沖對應(yīng)0.04 μm），速度為10 mm/s。我們使用金思拓邏輯分析儀測量光柵尺的輸出脈沖，設(shè)置邏輯分析儀的采樣率為1 GHz，采樣深度為20 MHz，即測量50個行程數(shù)據(jù)。選取其中任一個行程的數(shù)據(jù)，如圖3所示，從邏輯分析儀的上位機直接讀取A、B兩相信號的脈沖個數(shù)為249 961，由于測量原因存在個別誤差，可忽略不計，與理論脈沖個數(shù)吻合。在后期數(shù)據(jù)采集過程中，我們將Z相脈沖位置（即零點）作為電機的絕對開始位置，再通過對A、B相信號的正交解碼（分辨率提高四倍）更精確的反饋電機的實時位置信息，最終實現(xiàn)高達(dá)0.01 μm的位置控制精度，即0.033 fs的時間延遲分辨率。

圖3 定位精度（時間延遲分辨率）測試Fig. 3 Positioning accuracy（time delay resolution）test

2 改進方案的延遲線與 MDL002 型對比測試

在同等測試條件下，將本文改進的光學(xué)延遲線與美國高光科技MDL002延遲線分別應(yīng)用于太赫茲波譜系統(tǒng)中，波譜系統(tǒng)框圖如圖4所示，其工作過程如下：同一臺激光器產(chǎn)生兩束激光，其中一束泵浦光進入發(fā)射天線（圖4 Emitter）向空間輻射太赫茲波，另一束探測光經(jīng)過光學(xué)延遲裝置，通過光學(xué)延遲線控制太赫茲脈沖和探測光脈沖之間的時間延遲，再進入探測天線（圖4 Receiver），從而得到完整的太赫茲時域脈沖。

圖4 全光纖式太赫茲時域波譜系統(tǒng)框圖Fig. 4 Block diagram of all-fiber terahertz time-domain spectroscopy system

在測試中，我們先后更換了本文改進的光學(xué)延遲線和美國高光科技MDL002延遲線用來對比性能，故對兩臺延遲線設(shè)置了相同的參數(shù)，即光學(xué)延遲范圍67 ps（對應(yīng)10 mm），速度67 ps/s（對應(yīng)10 mm/s）等。測試結(jié)果如圖5所示，其中圖（a）、圖（c）分別是MDL002延遲線和本文改進的延遲線10組單周期太赫茲時域波形疊加的結(jié)果。從圖中可以看出，兩臺延遲線都能提供時間延遲獲取太赫茲信號，但在細(xì)節(jié)方面，尤其是在波形最大值附近的局部區(qū)域，本文改進的延遲線獲取的單周期太赫茲信號波形在時間軸上的抖動和振幅上的抖動明顯小于MDL002延遲線。同樣的結(jié)論也可以從圖（b）和圖（d）中定量的得出，MDL002型延遲線的振幅抖動量大約是本文改進延遲的延遲線一倍。從而說明了本文改進的延遲線比MDL002延遲線具有更小的位置定位誤差，實現(xiàn)了提高延遲線光學(xué)延遲精度的目的，顯著降低了由于延遲線定位精度不足導(dǎo)致的太赫茲時域波形振幅的抖動。

圖5 實測數(shù)據(jù)對比Fig. 5 Measured data comparison

3 結(jié) 論

本文以美國高光科技MDL002型光學(xué)延遲線為例，分析了市面上常用的光學(xué)延遲線采用絲桿直線電機導(dǎo)致時間延遲速度慢、延遲精度低等問題。我們提出了使用磁桿直線電機代替絲桿電機并加裝光柵系統(tǒng)的改進方案。測試結(jié)果表明，本文的改進方案有效解決了光學(xué)延遲線時間延遲慢、光學(xué)延遲精度低等問題，實現(xiàn)了長距離內(nèi)可以高速精準(zhǔn)往復(fù)運動，并提供高達(dá)512 ps的延時范圍和0.033 fs的時間延遲分辨率，提高了太赫茲時域波形振幅的一致性。這對于設(shè)計更高速，位置分辨更精密的光學(xué)延遲線具有非常重要的實際工程意義。