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       高精密的實(shí)驗(yàn)設(shè)備要想達(dá)到理想的使用效果，對(duì)設(shè)備的運(yùn)行環(huán)境同樣會(huì)提出較高的要求。使用光參量放大器（OPA）和泵浦探測(cè)的用戶都希望有較為理想的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，以確保這些高精密設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定、得到可靠的理想實(shí)驗(yàn)結(jié)果。通常，用戶習(xí)慣按照超凈間的標(biāo)準(zhǔn)打造自己的光學(xué)實(shí)驗(yàn)室。然而對(duì)OPA和泵浦探測(cè)等設(shè)備來(lái)說(shuō)，這樣做有時(shí)會(huì)適得其反。這是因?yàn)镺PA和泵浦探測(cè)設(shè)備中的核心部件利用的是非線性光學(xué)元件，屬于非線性光學(xué)設(shè)備，對(duì)環(huán)境有多種要求，單純追求潔凈度可能會(huì)使其他環(huán)境條件得不到滿足，帶來(lái)另一些方面的問(wèn)題。

圖1.  飛秒激光器（PHAROS）、光參量放大器（ORPHEUS）和泵浦探測(cè)系統(tǒng)（HARPIA）

        除了光學(xué)潔凈間的無(wú)塵條件，非線性光學(xué)設(shè)備要求更好的溫度穩(wěn)定性、濕度穩(wěn)定性、超低的風(fēng)速。通常光學(xué)潔凈間的送風(fēng)風(fēng)速很大，對(duì)非線性光學(xué)設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行造成很大影響。而潔凈度和風(fēng)速通常又是矛盾的。為此，需要采取一些措施，甚至在建造實(shí)驗(yàn)室之初在設(shè)計(jì)層面采取方法平衡各種因素，打造理想的非線性光學(xué)實(shí)驗(yàn)室。

        我們先來(lái)了解一下主要的環(huán)境因素對(duì)非線性光學(xué)設(shè)備有哪些影響，再介紹一下非線性光學(xué)實(shí)驗(yàn)室建造時(shí)的注意事項(xiàng)。

不同環(huán)境因素對(duì)非線性光學(xué)設(shè)備的影響

溫度

       OPA等設(shè)備的理想運(yùn)行溫度在22-24℃，溫度偏差±1℃。溫度過(guò)低或過(guò)高，如低于18℃或高于26℃，前端的激光器可能無(wú)法啟動(dòng)。激光器有自主反饋，可以通過(guò)改變內(nèi)部電壓、電流等參數(shù)保證自身可以在一定的溫度波動(dòng)下仍能穩(wěn)定輸出功率。而OPA屬于被動(dòng)設(shè)備，沒有自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置，其穩(wěn)定性對(duì)溫度波動(dòng)較為敏感。當(dāng)溫度變化較大時(shí)，OPA中非線性晶體的耦合效率會(huì)下降，隨之而來(lái)的是輸出的功率的下降。溫度的波動(dòng)造成所有光路的鏡架熱脹冷縮，影響光路穩(wěn)定和光束質(zhì)量。由于熱脹冷縮的不可逆性，鏡架的螺絲膨脹和收縮偏移的機(jī)械距離不同，這將影響OPA功率的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。

 

濕度

       濕度會(huì)影響鏡片表面薄膜的穩(wěn)定性，進(jìn)而影響光路。濕度大還會(huì)導(dǎo)致鏡片表面水凝結(jié)，被強(qiáng)激光打壞鏡片。非線性晶體和膜層在較大的濕度下容易潮解，導(dǎo)致失效。并且，濕度過(guò)高或過(guò)低時(shí)還會(huì)造成電路故障，損壞設(shè)備。激光器和OPA應(yīng)在濕度小于60%以下的環(huán)境運(yùn)行。理想的濕度范圍在30%-55%之間，可根據(jù)本地區(qū)常年的平均濕度情況設(shè)置實(shí)驗(yàn)室的合理濕度。通常，為保證OPA的功率穩(wěn)定，濕度波動(dòng)范圍控制在10%以內(nèi)較為理想。

 

風(fēng)速

       在營(yíng)造恒溫恒濕的光學(xué)超凈間環(huán)境時(shí)，風(fēng)速是一個(gè)容易被忽視的因素。然而對(duì)非線性光學(xué)設(shè)備而言，超低的風(fēng)速甚至無(wú)風(fēng)的環(huán)境極為重要。對(duì)OPA這種功率設(shè)備而言，明顯的風(fēng)速意味著實(shí)驗(yàn)室內(nèi)明顯的溫度梯度。風(fēng)速引發(fā)的空氣湍流會(huì)引起溫度的短期波動(dòng)，并由于空調(diào)的冷卻周期而導(dǎo)致OPA輸出功率周期性漂移。相比大脈沖能量的OPA，小脈沖能量的OPA對(duì)風(fēng)速則更為敏感。從經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)上看，實(shí)驗(yàn)室溫濕度穩(wěn)定的情況下，風(fēng)速是導(dǎo)致OPA功率不能長(zhǎng)久保持的主要原因。

 

圖2. 低風(fēng)速下低泵浦脈沖能量（10uJ）的OPA的功率穩(wěn)定性（8小時(shí)以上）

圖3. 無(wú)風(fēng)環(huán)境下中等泵浦脈沖能量（90uJ）的OPA的功率穩(wěn)定性（8小時(shí)）

       泵浦探測(cè)系統(tǒng)（如HARPIA-TA）的穩(wěn)定性與風(fēng)速也密切相關(guān)。由于通常泵浦探測(cè)設(shè)備probe光的激發(fā)激光有較長(zhǎng)的光路延時(shí)，風(fēng)速會(huì)明顯影響激發(fā)激光經(jīng)過(guò)長(zhǎng)光程后的穩(wěn)定，更會(huì)影響激發(fā)的probe光的穩(wěn)定性。特別是當(dāng)風(fēng)來(lái)自設(shè)備正上方，對(duì)probe光的穩(wěn)定性傷害特別大。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)，與低風(fēng)速或無(wú)風(fēng)的環(huán)境相比，有明顯風(fēng)速的環(huán)境下probe光的穩(wěn)定性會(huì)下降1-2數(shù)量級(jí)。如果理想情況下穩(wěn)定性可以到0.02% RSD，有風(fēng)的環(huán)境穩(wěn)定性可能下降到0.2% RSD，甚至1% RSD以上。

空氣的潔凈度

       環(huán)境的潔凈度是光學(xué)設(shè)備的通常要求，非線性光學(xué)設(shè)備同樣要求較好的潔凈環(huán)境。灰塵會(huì)引起光的衍射，影響光場(chǎng)分布，影響出光質(zhì)量；光學(xué)元件表面落灰還會(huì)影響光的傳輸效率；在強(qiáng)光照射下，光學(xué)鏡片上的灰塵可能還會(huì)導(dǎo)致元件損壞。

 

圖4. 非潔凈間與潔凈間運(yùn)行的OPA內(nèi)部光路中灰塵數(shù)量對(duì)比

      通常萬(wàn)級(jí)的潔凈間就可以滿足非線性光學(xué)設(shè)備的運(yùn)行要求。實(shí)驗(yàn)室的潔凈度與風(fēng)速的矛盾是容易令人糾結(jié)的問(wèn)題。如果風(fēng)速過(guò)低就不能保證實(shí)驗(yàn)室的潔凈度，而如上所述，風(fēng)速大又會(huì)影響非線性光學(xué)設(shè)備的運(yùn)行穩(wěn)定及實(shí)驗(yàn)效果。如何在兩者之間實(shí)現(xiàn)平衡呢？

       風(fēng)速帶動(dòng)的空氣流通可以除去實(shí)驗(yàn)室空氣中漂浮的微塵顆粒，較大的風(fēng)速則可以防止灰塵在實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)或地面停留，從而保證實(shí)驗(yàn)室整體的潔凈程度。通常，對(duì)光學(xué)設(shè)備威脅的是空氣中的漂浮的微塵顆粒。而平臺(tái)面或地面停落的灰塵顆粒主要是沒有被送到回風(fēng)帶走的較重顆粒，這些顆粒比較不容易自動(dòng)返回空氣中重新懸浮。通過(guò)光學(xué)架擋板或防護(hù)簾確保設(shè)備周邊較低風(fēng)速之后，流通的空氣仍可以有效帶走環(huán)境中的懸浮微塵，從而保證光學(xué)設(shè)備和光路的正常運(yùn)行；而地面和平臺(tái)的灰塵顆粒可以分別通過(guò)吸塵器和干（或微濕的）抹布定期清潔，防止落在光學(xué)元件表面，并保證了整體環(huán)境的潔凈程度。如此一來(lái)，風(fēng)速和環(huán)境潔凈度的矛盾便可以有效緩解。

非線性光學(xué)實(shí)驗(yàn)室的設(shè)計(jì)考慮

溫度監(jiān)測(cè)

       溫度測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)一般采用多通道溫度測(cè)量裝置或具有多點(diǎn)溫度測(cè)量功能的設(shè)備，傳感器一般采用鉑電阻，也可采用其他滿足要求的傳感器， 數(shù)量不少于5個(gè)。測(cè)量范圍應(yīng)覆蓋實(shí)驗(yàn)室溫度控制的全范圍，以確保整體環(huán)境的溫度均勻性。

       環(huán)境溫度穩(wěn)定性要求確立后，溫度控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性要達(dá)到環(huán)境溫度穩(wěn)定性要求的1/2，而傳感器的靈敏度則要達(dá)到環(huán)境溫度穩(wěn)定性要求的1/10。以環(huán)境溫度穩(wěn)定性要求±1℃為例，溫度控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性應(yīng)該≤0.5℃，傳感器的靈敏度應(yīng)該≤0.1℃。

       在控制系統(tǒng)的選型上，相比于單片機(jī)和DDU，PLC具有編程和更改程序簡(jiǎn)單、擴(kuò)展性強(qiáng)、通用性好，可實(shí)現(xiàn)多種復(fù)雜控制的特點(diǎn)，更適合實(shí)驗(yàn)室的定制控制要求。

       南方的實(shí)驗(yàn)室在空調(diào)選擇上要注意選擇有加熱功能的空調(diào)，防止因特殊年份冬季降溫過(guò)多而使實(shí)驗(yàn)室溫度失控。而有些特殊的實(shí)驗(yàn)室即使在冬季溫度也較高，需要空調(diào)制冷控溫。普通的空調(diào)機(jī)組在外界環(huán)境低于15℃后就不能制冷了。針對(duì)這類特殊情況，需要選擇具備全年制冷能力的機(jī)組。此時(shí)，在制冷機(jī)組的選擇上要注意其工作溫度范圍和制冷溫度范圍的區(qū)別。

濕度控制

       空調(diào)系統(tǒng)要配有除濕模塊，高級(jí)一些的空調(diào)還可配置加濕功能，方便在濕度過(guò)低時(shí)調(diào)節(jié)濕度。整體的送風(fēng)回風(fēng)系統(tǒng)，應(yīng)考慮內(nèi)循環(huán)+新風(fēng)的組合模式。特別是南方很多地區(qū)一年中的大部分時(shí)候濕度較大，如果只是單純采用沒有內(nèi)循環(huán)的新風(fēng)模式，外界富含水分的空氣很難通過(guò)空調(diào)除濕一次性達(dá)到實(shí)驗(yàn)室的要求，對(duì)設(shè)備和實(shí)驗(yàn)容易造成影響。*內(nèi)循環(huán)的模式則容易導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)室缺氧，影響實(shí)驗(yàn)人員的健康。通常，新風(fēng)的比例應(yīng)保證30立方米每人每小時(shí)。

風(fēng)速控制

        對(duì)非線性光學(xué)設(shè)備來(lái)說(shuō)，風(fēng)速控制的要求較為復(fù)雜，是影響設(shè)備運(yùn)行的關(guān)鍵。風(fēng)速控制不僅影響溫濕度的穩(wěn)定性和均勻性，也影響實(shí)驗(yàn)室的潔凈度。從實(shí)驗(yàn)室的角度，有的報(bào)道稱，在送風(fēng)口增加微孔鋁板后能較好地降低風(fēng)速，使風(fēng)速下降到0.1m/s以下，并且實(shí)驗(yàn)室不同地區(qū)的溫度偏差可控制到0.3℃，同時(shí)實(shí)現(xiàn)較好的風(fēng)速控制和溫度均勻性。

圖5. 送風(fēng)口使用和未使用微孔鋁板情況下溫度和風(fēng)速分布的表現(xiàn)

       對(duì)非線性光學(xué)設(shè)備而言，無(wú)風(fēng)的環(huán)境更為理想。OPA廠家采用密閉實(shí)驗(yàn)箱隔絕設(shè)備和平臺(tái)周圍的風(fēng)速擾動(dòng)。而通常的實(shí)驗(yàn)室比較難達(dá)到這樣的條件。為減小潔凈間送風(fēng)對(duì)非線性光學(xué)設(shè)備的影響，首先應(yīng)避免送風(fēng)口在設(shè)備的正上方。其次，可以在設(shè)備所在的平臺(tái)上方搭建平臺(tái)架，并在架子的頂部鋪設(shè)擋風(fēng)板降低來(lái)自上方的風(fēng)速。平臺(tái)架的周邊可以加裝光學(xué)防護(hù)簾，減緩平臺(tái)周邊的氣流擾動(dòng)。通過(guò)在送風(fēng)口和設(shè)備周邊分別采取措施，可以有效地降低送風(fēng)風(fēng)速并降低空氣擾動(dòng)對(duì)非線性光學(xué)設(shè)備的影響。

圖6. 密閉實(shí)驗(yàn)箱、光學(xué)平臺(tái)架+擋風(fēng)板+光學(xué)防護(hù)簾

        除此之外，在實(shí)驗(yàn)室外預(yù)留隔間放置激光器系統(tǒng)的水冷機(jī)，對(duì)降低實(shí)驗(yàn)室氣流擾動(dòng)和溫濕度控制也有明顯幫助。因?yàn)橥ǔ＜す馄鞯乃錂C(jī)會(huì)排出風(fēng)速較大的高溫空氣，如果冷水機(jī)放在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，即使冷水機(jī)的排風(fēng)扇對(duì)著實(shí)驗(yàn)室的回風(fēng)口，也會(huì)有部分高溫空氣排放在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)。這樣，實(shí)驗(yàn)室的空調(diào)就要通過(guò)額外的制冷送風(fēng)維持溫度的穩(wěn)定。激光器水冷機(jī)的排風(fēng)與增加的空調(diào)送風(fēng)同時(shí)加大了實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的氣流擾動(dòng)，對(duì)設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行和長(zhǎng)期的功率穩(wěn)定都會(huì)產(chǎn)生負(fù)面影響。因此，將水冷機(jī)外置的做法，可以同時(shí)減小實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的風(fēng)速和溫濕度漲落，對(duì)設(shè)備的運(yùn)行和實(shí)驗(yàn)結(jié)果都具有積極作用。長(zhǎng)期的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，同等條件下，外置了激光器冷水機(jī)的實(shí)驗(yàn)室，OPA功率保持的時(shí)間更長(zhǎng)，泵浦探測(cè)實(shí)驗(yàn)的光信號(hào)也更穩(wěn)定。

        以上就是我們主要介紹的影響因素和預(yù)防措施。照明、電源、接地和微振動(dòng)等實(shí)驗(yàn)室通常需要考慮的因素，在此就不再展開了。

結(jié)語(yǔ)

       除了潔凈度，溫濕度的穩(wěn)定性，超低的風(fēng)速是非線性光學(xué)設(shè)備有別于一般光學(xué)設(shè)備的主要環(huán)境要求。在設(shè)計(jì)建造非線性光學(xué)設(shè)備的實(shí)驗(yàn)室時(shí)，在確保設(shè)備周邊低風(fēng)速的前提下來(lái)保障其他因素滿足要求是需要著重考慮的方面。

公司簡(jiǎn)介

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