盧 飛，張博妮，秦 艷，胡鐵力，俞 兵，孫宇楠，曹 鋒

（西安應用光學研究所，陜西 西安 710065）

引言

光學斬波器通過斬波輪旋轉(zhuǎn)將光信號尤其是微弱光信號調(diào)制成交變光信號，然后交變的光信號通過光電轉(zhuǎn)換得到固定頻率的電壓信號。電壓信號與斬波器輸出的、與光信號同步的參考信號一起輸入鎖相放大器中，通過鎖相放大器檢波功能實現(xiàn)對微弱光譜信號的相關檢測[1-2]，光學斬波器的轉(zhuǎn)速控制精度及穩(wěn)定度至關重要。斬波放大技術通過僅放大信號和與信號同頻率的噪聲，從而實現(xiàn)絕大部分噪聲和信號分離，完成低頻弱信號的有效放大[3]。因此斬波放大電路具有有效放大低信噪比信號的優(yōu)點[4-6]。

光譜響應度是探測器的重要技術參數(shù)之一，隨著低溫輻射計靈敏度的提高，可以利用單色儀出射的單色光作為光源實現(xiàn)低溫輻射計標定探測器絕對光譜響應度。在標定115 nm～400 nm 波段探測器絕對光譜響應度時，低溫輻射計和探測器均處于真空環(huán)境中，經(jīng)過單色儀分光后的光信號非常弱，必須使用斬波器和鎖相放大器將弱信號從噪聲信號中提取出來，并做放大處理。一般的斬波器電機中的油會污染真空腔室，并且電機不具備散熱功能，無法滿足真空環(huán)境使用要求。而國內(nèi)未見相關適用真空環(huán)境斬波器的文獻，國外Mcpherson 公司采用音叉震動的方式制作了適用真空環(huán)境的斬波器，其頻率范圍為10 Hz～1 kHz，穩(wěn)定性優(yōu)于0.01%。雖然性能滿足使用要求，但是價格昂貴。因此，為了實現(xiàn)基于低溫輻射計的115 nm～400 nm 波段探測器絕對光譜響應度標定，本文設計了一款適用于真空環(huán)境的光學斬波器，實驗結(jié)果表明該光學斬波器滿足使用要求，具有穩(wěn)定性好、可用于真空環(huán)境的特點。

1 光學斬波器組成及工作原理

1.1 組成

光學斬波器由斬波片、轉(zhuǎn)軸、伺服電機、U 型光電開關、降溫組件、支架、光電開關電路和電機驅(qū)動器組成，其結(jié)構如圖1所示，轉(zhuǎn)軸由伺服電機控制帶動斬波片進行旋轉(zhuǎn)。

1.2 工作原理

將斬波器和鎖相放大器組合起來，通過對光信號進行調(diào)制解調(diào)，實現(xiàn)將信號噪聲分離，從而僅放大有用信號，并提高有用信號的信噪比[7-8]。光學斬波器將低信噪比的微弱光信號調(diào)制成指定頻率的交變信號，然后通過光電轉(zhuǎn)換得到交變的電壓信號，該信號與光學斬波器同步輸出的參考信號一起輸入鎖相放大器。鎖相放大器識別輸入的參考信號的頻率，通過內(nèi)部檢波電路分離出與參考信號同步的交流輸入信號，只有此頻率的信號可以通過并進行放大，而其他與參考信號頻率差別較大的信號會被濾除，從而降低噪聲信號的影響，改善檢測信噪比，達到微弱交流信號讀取的目的[9]。由于鎖相放大器測量與參考信號同頻率信號的幅度，并且有一個最少鎖定周期，因此光學斬波器斬波輪的轉(zhuǎn)速控制精度及穩(wěn)定度至關重要。

鎖相放大器輸出信號的幅值取決于輸入信號和參考信號的頻率差和相位差。光學斬波器頻率不穩(wěn)定主要引起輸入信號和參考信號的相位差。為滿足真空紫外探測器絕對光譜響應度標定光源穩(wěn)定性達到0.1%的要求，光學斬波器頻率不穩(wěn)定引起的最大相位差要小于2.5°。本文設計的光學斬波器在80 Hz 時使用，所以滿足相位差要求的斬波器的最大允許頻率范圍為79.4 Hz～80.6 Hz。本文設計的光學斬波器頻率穩(wěn)定性為±0.05 Hz，既可滿足鎖相放大器對參考信號的要求，又能滿足系統(tǒng)其余的設計要求。

為了實現(xiàn)基于低溫輻射計的115 nm～400 nm波段探測器絕對光譜響應度[10-11]標定，將溯源于低溫輻射計的傳遞標準探測器和被校準探測器安裝在探測器真空艙的一維電動平移臺上，如圖2所示。光學斬波器位于傳遞標準探測器和被校準探測器前方的光路中，經(jīng)光學斬波器反射的紫外輻射由監(jiān)視探測器接收，經(jīng)光學斬波器透射的紫外輻射由傳遞標準探測器和被校準探測器接收。

2 光學斬波器的設計

2.1 光學斬波器主體的設計

1）斬波片的設計

本文設計了如圖3所示的斬波片，其直徑為φ100 mm，通光口徑為φ94 mm。該斬波片采用超硬鋁材料加工，一面拋光成鏡面，一面進行發(fā)黑處理。為了減小轉(zhuǎn)動慣量和抵抗加工過程中的變形，其結(jié)構形式為中間略厚于邊緣。斬波片反射面粗糙度高將導致反射光斑出現(xiàn)彌散斑，從而降低反射光斑的能量，使監(jiān)視探測器測量困難，因此需要盡量減小彌散斑的出現(xiàn)。通過光學設計將基底的表面粗糙度設計為Ra=0.012。為了盡量減少中間傳動結(jié)構對光路的干涉，系統(tǒng)中采用斬波片直接與電機軸連接。斬波片先用螺釘固定在外錐套上，外錐套周向均勻分布有6 個彈性齒，當擰緊拉緊螺釘時，內(nèi)錐套會沿著錐面軸向拉緊，促使外錐套上的6 個彈性齒均勻收縮，達到與電機軸抱死的目的，優(yōu)點是斬波片受力均勻、與電機軸同軸性好。

2）伺服電機的選型

根據(jù)斬波器的功能及設計要求，除了要求電機扭矩外，還要求電機轉(zhuǎn)速的平穩(wěn)性。本文選擇了FAULHABER 公司的3274X024BP4-5 993型真空版直流無刷伺服電機[12-13]，轉(zhuǎn)矩為162 mN·m，并配備4 096線編碼器和6.6：1 的行星減速箱。其額定轉(zhuǎn)速為8 260 轉(zhuǎn)/min，滿足轉(zhuǎn)速7 920 轉(zhuǎn)/min 的要求。電機驅(qū)動器使用了其配套的MC5010S 驅(qū)動器，并使用FAULHABER 公司電機管理軟件Motion Manager6對驅(qū)動器的參數(shù)進行進一步調(diào)節(jié)，使其配置達到最優(yōu)。在Motion Manager6 進入動態(tài)調(diào)試界面，通過參數(shù)自整定，以及調(diào)節(jié)反饋速率等驅(qū)動器參數(shù)，最終轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在±20 轉(zhuǎn)/min。

3）光電開關信號處理電路設計

光電開關輸入相位相反的兩路信號，經(jīng)過運放U1 組成的低通濾波器將光電開關輸出產(chǎn)生的尖刺脈沖濾除，然后利用兩路信號相位正好相反的特性，將另一路信號取反并與自身相與消除相位差和尖刺，從而消除斬波器光電開關輸出產(chǎn)生的毛刺噪聲以及葉片抖動產(chǎn)生的相位誤差，如圖4所示。

2.2 降溫組件的設計

電機連續(xù)工作時，會有一部分功率轉(zhuǎn)換為無效的熱功率，從而產(chǎn)生自身發(fā)熱的現(xiàn)象。如果電機自身熱量累積無法及時散出，將會降低電機的可靠性，嚴重的甚至會無法正常工作[14]。因此，電機的散熱設計就顯得尤為重要?；镜纳岱绞街饕袀鲗Аα鱾鳠岷洼椛鋫鳠崛N。真空環(huán)境下，大氣中常見的空氣不再存在，由于缺乏有效的對流介質(zhì)，不存在大氣下的對流傳熱，需要從熱傳導和熱輻射兩個方面來著重考慮散熱。而液冷散熱系統(tǒng)需要額外的循環(huán)液路與密封系統(tǒng)，增加了電機系統(tǒng)的成本和復雜性[15]。因此，電機降溫組件的設計主要針對真空環(huán)境下的熱傳遞特點，著重從增大散熱面積和提高熱傳導效率兩個方面進行設計。

降溫組件的結(jié)構如圖5所示，主要由上層矩形封裝體、下層矩形封裝體和熱界面材料等組成。

電機通過端面和外圓接口安裝在電機支架上，上層矩形封裝體和下層矩形封裝體與支架固連。上層矩形封裝體和下層矩形封裝體主要是將圓柱型的電機封裝起來，不但起到了對電機的封裝和輔助支撐作用，而且可以將電機工作時產(chǎn)生的熱量通過硬件接觸傳導和熱輻射的方式傳遞到真空罐的底板和內(nèi)壁上。封裝體上分別設計了多組矩形散熱體，起到了增加熱傳導和熱輻射面積的目的。

在非真空環(huán)境中，多個固體之間除了材料自身接觸外，材料之間的各個細微的間隙空間也會有氣體填充。物體熱傳導有兩種途徑，一種是通過物體的直接接觸傳遞，另一種是固體到氣體再到固體的間接傳遞。而真空中，無氣體填充空隙，為了提高熱傳遞效率，降溫組件一方面提高了封裝體與電機接觸表面的粗糙度，讓微觀上接觸的點陣更多，另一方面在電機和散熱體之間填充了熱界面材料，起到了提高導熱效率的目的。

2.3 材料的處理

用于制作光學斬波器的斬波片、降溫組件、支架的材料放氣會影響探測器真空艙的真空度，需要對斬波片材料和降溫組件進行特殊處理，降低其放氣率。材料處理流程包括3 步。

1）應力釋放

采用高品質(zhì)鋁材料制作光學斬波器，鋁材料結(jié)構致密并含有非常少的雜質(zhì)，對鋁材料進行應力釋放和高溫除氣，降低材料內(nèi)部釋放出的氣體。

2）清洗

在加工和處理過程中，不可避免會有塵埃、極性分子和有機物基團等異物雜質(zhì)附著在材料表面。這些異物雜質(zhì)的吸氣能力通常比集體材料高，在真空狀態(tài)下會成為明顯的氣源，不斷地向真空艙內(nèi)釋放氣體，不僅會影響真空艙真空度的保持，還可能通過二次附著污染探測器。因此，為了保證部件的真空應用性，必須要對部件進行適當?shù)那逑磥砣コ牧媳砻娈愇镫s質(zhì)。通過依次使用揮發(fā)性好的有機、無機溶劑來清洗部組件，可以利用解離-溶解-揮發(fā)的過程來清除材料表面的各種異物雜質(zhì)，使材料表面微觀結(jié)構物質(zhì)，抑制材料真空放氣、提高部件表面連接強度和密封性能，有效改善部件真空適應性和穩(wěn)定性。

3）烘烤

對材料進行烘烤可以顯著增加解吸率和擴散率，而且這會導致抽吸時間大大縮短。因此在溫度高達900 ℃時對材料進行退化，并在300 ℃進行烘烤，以增加其解吸率和擴散率。

通過采用最優(yōu)的烘烤時間、溫度、壓力和交替循環(huán)程序，最終保證了光學斬波器材料放氣率小于1×10?11Pam3/(s·cm2)。

2.4 誤差分析

1）斬波片和電機裝配引起的光斑抖動誤差

光斑投影發(fā)生周期性擾動是由斬波片反光面和電機轉(zhuǎn)軸垂直度誤差造成的，如圖6所示。

根據(jù)三角函數(shù)可知，光點晃動量的晃動半徑為

式中：R為光點晃動半徑；S為投射點到感光點的距離。

裝配時最大可能保證垂直度，然后用百分表打端面的方法保證垂直度θ，如圖6所示。根據(jù)設計要求，斬波器的軸向跳動量嚴格控制在0.05 mm，而誤差量只有跳動量的1/2，實際誤差只有25 μm。

2）斬波器葉片弧長幾何尺寸造成的斬波周期誤差

斬波器的使用頻率為80 Hz，斬波片為4 片，因此斬波器的轉(zhuǎn)速為20 轉(zhuǎn)/s。斬波片直徑為100 mm（劃過光束的直徑為94 mm），葉片寬度誤差為10 μm，假設斬波片寬度加工精度為0.01 mm，則周期誤差Δf為

3 實驗分析

在如圖7所示的真空系統(tǒng)中，對光學斬波器斬波頻率的穩(wěn)定性進行了實驗，實驗時真空系統(tǒng)的真空度為1×10?4Pa。對電機驅(qū)動器參數(shù)進行調(diào)整，使得電機轉(zhuǎn)速為7 920 轉(zhuǎn)/min（輸出參考信號頻率80 Hz）時的轉(zhuǎn)速誤差從±60 轉(zhuǎn)/min 減小到±20 轉(zhuǎn)/min。通過添加散熱措施后，電機轉(zhuǎn)速誤差進一步減小到±18 轉(zhuǎn)/min，電機轉(zhuǎn)速監(jiān)控結(jié)果如圖8所示。利用本文設計的光電開關信號處理電路對光電信號進行二次處理，其輸出參考信號頻率誤差進一步降低到±0.05 Hz，將參考信號輸入到斯坦福公司的SR830 鎖相放大器進行頻率監(jiān)控，其頻率在30 min 內(nèi)最大為80.04 Hz，最小為79.95 Hz。

4 結(jié)論

本文主要是針對基于低溫輻射計的115 nm～400 nm 波段探測器絕對光譜響應度高準確度標定中一般斬波器不適用的問題，設計了一款適用于真空環(huán)境并且具備散熱功能的光學斬波器。實驗表明該斬波器頻率在80 Hz 時的穩(wěn)定性為±0.05 Hz，可在10?4Pa 的真空環(huán)境下使用，對于真空紫外-紫外輻射定標具有重要意義。