Click to Enlarge
Ø12.7 mm(Ø1/2インチ)光学素子用マウントPOLARIS-K05F6の内部詳細図

Click to Enlarge
インデックスタブ付きウェーブワッシャ

特長

• 熱膨張係数(CTE)を整合し、応力を除去したステンレススチールより機械加工
• インデックスタブ付きウェーブワッシャを使用し、3点接触プレートで光学素子を固定
• 高い耐久性と滑らかな動きを実現するために、硬化処理ステンレススチール製ボールとの接点にはサファイアシートを使用
• 整合したアクチュエータ/本体のペアにより滑らかなキネマティック調整を実現
• 広範な試験により、温度サイクル試験後のズレは2 µrad未満を保証(詳細は「熱試験データ」タブ参照)。
• 真空ならびに高出力レーザ共振器の用途に適した、不動態化処理済みのステンレススチール製
• カスタム仕様のマウントについては当社までお問い合わせください。

Ø12.7 mm(Ø1/2インチ)光学素子用Polaris^®低歪みキネマティックミラーマウント(US Patent 9,599,786)は、長期的安定性に加え、光学素子の歪みを低減することができる光学マウントですこちらのページではØ12.7 mm(Ø1/2インチ)光学素子用のマウントをご紹介しています。ほかのサイズの光学素子用としてご用意している標準品のPolaris低歪みマウントは、右下の表からご覧いただけます。

光学素子の保持機構
こちらのマウントは、光学素子を取り付けるための3点接触プレートが特長で、止めネジや固定リングを使用する標準的な光学マウントよりも光学素子の歪みを低減する設計です。光学素子と固定リングの間にあるウェーブワッシャは、光学素子の曲げモーメントを排除し、大きな温度変化があっても光学素子に加わる力を一定に保ちます。詳細は「低歪み」タブならびに「光学素子の取付け方法」タブをご覧ください。

Polarisの光学素子保持用の穴は、温度変化や移動時の衝撃や振動など、様々な環境条件の変化に対して最良のビームポインティング安定性が得られるように精密加工されています。なお、このマウントは直径公差が+0/-0.127 mmのØ12.7 mm(Ø1/2インチ)光学素子用に設計されています。この範囲外の光学素子を取付けると性能が低下します。ほかのサイズの光学素子用のマウントについては、当社までお問い合わせください。

設計
熱処理済みステンレススチールから機械加工されたPolarisマウントには、精密に整合されたアジャスタやボール接触、サファイアシートなどが用いられ、滑らかなキネマティック調整が可能になっています。「熱試験データ」タブでご覧いただけるように、これらのマウントは様々な試験により、その高い性能が実証されています。Polarisの設計では、ビームのミスアライメントの一般的な要因はすべて対処しています。詳しくは「設計の特長」タブをご覧ください。

ポストへの取付け
Polarisミラーマウントには、ポスト取付け用のM4ザグリ穴があります。また、マウントによっては取付け用ザグリ穴の周りにØ2 mmのアライメント用ピンホールが付いています。こちらのマウントとPolarisミラーマウント用ポストを使用すると、より精密なアライメントが可能です。推奨する取付けの構成については「使用情報」のタブをご覧ください。

クリーンルームならびに真空対応について
下記のPolarisマウント、固定リング、止めナットはすべてクリーンルームや真空でも使用できるように設計されています。詳細は「仕様」タブならびに「設計の特長」タブをご覧ください。

Ø12.7 mm(Ø1/2インチ)光学素子用Polaris^®低歪みキネマティックミラーマウントに光学素子を取り付ける方法

光学素子の取付け穴と光学素子本体に、グリース、汚れ、ホコリなどが付着していないことを確認してください。異物が付着している場合は、清浄な圧縮空気で取り除き、必要に応じてメタノールやアセトン、またはエタノールでクリーニングしてください。光学素子、ウェーブワッシャ、および固定リングは右下の動画でご覧いただけるようにマウントの後方から取り付けます。ウェーブワッシャのインデックスタブがキー溝に入り、かつ固定リングに接触する向きになっていることを確認してください。ウェーブワッシャの向きを逆にすると、光学素子の歪みが大きくなってしまいます。スパナレンチSPW603またはSPW603Lなどを使って固定リングをゆっくり回転させ、光学素子をウェーブワッシャと3か所で接触させます。

固定リングを緩めて光学素子を固定する方法
ウェーブワッシャが固定リングのポケットに完全に押し込まれた状態になるまで、固定リングを締めます。固定リングが光学素子の背面にわずかに接触したら、固定リングを1/2回転ほど緩めて、ワッシャの力のみで光学素子が固定されている状態にします。こうすることで光学素子に適切な力がかかり、取付けられた光学素子の歪は、マウントに取り付けられていない状態の光学素子と比較して、波長の数十分の一程度に止まります(下のグラフ参照)。

トルクドライバを用いて光学素子を固定する方法
上記以外に、固定リングをマウント内にねじ込むときに、スパナビットSPB05とトルクドライバTD24を用いて固定リングに適切なトルクを加える方法があります。固定リングにかけられたトルクが光学素子を押さえる力に変換され、それにより固定するのに十分な力を加えながらも光学素子の歪みを最小限に抑えることができます。適切なトルク値については下のグラフをご参照ください。

小さなマウントにトルクドライバを使用したときには、固定リングを緩めた場合と同様の結果を得ることができます。その一方で実際に必要なトルクを過大評価したり過小評価したりしてしまいがちです。その場合、マウントに光学素子を固定する力が弱すぎたり強すぎたりしてしまい、どちらの場合もマウントの性能に悪影響を及ぼします。

光学素子の歪み
下のグラフは、Ø12.7 mm(Ø1/2インチ)光学素子用Polarisマウントに取り付けられた厚さ6 mmのミラー表面に負荷するトルクの大きさを変化させたときの影響を示しています。青い網掛け領域は、許容されるトルクと、ネジを緩めるときに許容される回転数の範囲を表しています。黒い四角とともに記載されている0.75と0.5は、それぞれ推奨する最小トルクおよび最大トルクを得るために緩める回転数を示しています。振動の多いセットアップの場合は、固定リングを緩める回転量を最小限に抑えてください。これに対して、振動の無いセットアップの場合は固定リングを緩める回転量を増やすことができます。平面度はZYGO干渉計で測定しました。使用した波長は633 nmです。トルクによる光学面の歪みについての詳細は、「低歪み」タブをご参照ください。

Click to Enlarge
参照用として0.10λを破線で示しています。青い網掛け部分は推奨トルクの範囲です。黒い点は標準的なスパナレンチを用いて得られたトルク値と平面度を表しています。黒い点の下の数値は、固定リングを緩めた回転数です。参考までに、網掛け領域よりも大きなトルク値における歪データも示しています。この領域での歪みは0.10λに比べて大変大きくなっています。

Ø12.7 mm(Ø1/2インチ)光学素子用低歪みマウントPOLARIS-K05F6のシミュレーション結果

取付けにより発生する応力は、光学素子の歪みにつながります。この光学素子の歪みは、そこで反射される光に全て反映されるため、その影響を最小限に留めることが重要です。

3点接触による力は光学素子表面に対して垂直であり、またその位置関係が対称であることから曲げモーメントは最小になります。その結果、光学素子の歪みは低減されます。通常の光学素子の周囲360°を保持するマウントや側面の止めネジ(セットスクリュ)で固定するマウントでは曲げモーメントが発生し、下の図のように光学素子に歪みが生じます。ウェーブワッシャは光学素子の保持力をゆっくりと調整することを可能にし、また温度変化に伴って発生する応力も減少させます。さらに、より大きな応力の原因となる光学素子の製造工程でのバラツキを補償する役割も果たします。下の図は、Polaris^®低歪みマウントPOLARIS-K05F6の固定リングには0.14 N・m、同等の標準的な止めネジ式マウントには0.071 N・mのトルクで光学素子を固定したとき、その光学素子に発生する変位および歪みを有限要素解析によって導出したものです。2アジャスタ型マウントPOLARIS-K05F1およびPOLARIS-K05F2は、3アジャスタ型のPOLARIS-K05F6と同じ前面パネルを使用しており、同様の性能を示します。

Click for Details
POLARIS-K05F6に取り付けられたØ1/2インチミラーの歪

Click for Details
POLARIS-K05F6に20 oz⋅in(0.14 N•m)のトルクを固定リングにかけて取り付けたØ1/2インチミラーの変形(左)と、同じミラーを同等の標準的な止めネジ付きマウントに10 oz⋅in(0.071 N・m)のトルクを止めネジにかけて取り付けたときの変形(右)について、有限要素解析(FEA)を行った結果。Polarisマウントにおける最大の歪みでも、標準的なマウントで生じる最小の歪みより小さくなります。

Zygo位相シフト干渉計を用いた光学歪み測定

Click to Enlarge

手順
Ø12.7 mm(Ø1/2インチ)の広帯域誘電体ミラー BB05-E02を「光学素子取付け方法」のタブに記載されている手順に従って低歪みキネマティックミラーマウントPOLARIS-K05F6に取り付けました。すなわち、ウェーブワッシャが完全に圧縮された状態になるまで固定リングを締め付け、その後固定リングを半回転緩めました。マウントは、Ø1インチ(Ø25.4 mm)のステンレススチール製ポストに、#8-32のキャップスクリュを1.8 N・mのトルクで締め付けて固定しました。これらの測定では、Zygo干渉計の開口部外径は80%に設定しました。

結果
右の画像のように、波面歪みは0.1λ以下でした。

熱衝撃後の位置の再現性

この試験は、光学系のアライメントが熱衝撃の影響を受けた場合に、マウントがミラーをヒステリシス無く、どの程度原点に戻すかを確認するものです。 試験時、Polarisキネマティックミラーマウントは、温度制御された環境でステンレススチール製光学ブレッドボードに固定されたØ1インチ(Ø25.4 mm)ステンレススチール製ポストに取り付けられています。 各マウントは、#8-32キャップスクリュを用いて、トルク量1.8 N・mでポストに固定されています。 ミラーはミラーマウントに取り付けられ(接着はされていません)、固定リングには0.06 N・mのトルクが印加されています。独立して温度制御された半導体レーザからのビームは、ミラー表面で位置センシングディテクタ(PSD)に反射されます。

手順
ミラーマウントの温度を上昇させ、マウントを一定温度に浸漬するため、その温度を維持しました。 その後、ミラーマウントの温度を試験開始時の温度に戻しました。試験結果は下記の通りです。

結果
下のグラフに示されている通り、Ø12.7 mm(Ø1/2インチ)光学素子用 Polaris低歪みマウントが初期の温度に戻ると、マウントに取り付けられているミラーの角度(ピッチとヨー)の角度位置は、初期位置の2 μrad以内に戻ります。 Polarisマウントの性能は、各製品を温度変化サイクルを繰り返すことによってさらに試験されています。 各サイクルの後に、ミラーの位置は確実に初期位置の2 µrad以内に戻っています。

比較
ミラーマウントPOLARIS-K05上の130TPIアジャスタをわずか0.033°(1回転の1/11 000)回転させると、マウントの角度が1 μrad変わります。 高度な技術を有する作業者が行える微調整は、0.3°(1回転の1/1200)ほどで、これは6 μradに相当します。

熱試験データ

Click to Enlarge
3アジャスタ型低歪みマウント

Click to Enlarge
2アジャスタ型低歪みマウント

Click to Enlarge
上のグラフは40回の連続熱衝撃試験後のPOLARIS-K05F2の最終的な角度の位置を示しています。図中の温度変化量は、開始時の温度と試験終了時の温度の差であり、室温の変動などの要素を含んでいます。

Click to Enlarge
Ø12.7 mm(Ø1/2インチ)光学素子用Polaris低歪みマウントの設計の特長

光学系のミスアライメントに繋がりやすい共通の要因がいくつかあります。温度が誘因となるミラー位置のヒステリシス、クロストーク、ドリフト、バックラッシュなどです。Polaris^®ミラーマウントは特にこれらのミスアライメントの要因が最少化されるよう設計されており、その結果として極めて高い安定性が実現しました。長期にわたる広範囲な研究、有限要素解析ソフトなど先進の設計ツールを用いた数多くの設計検証や何ヶ月間にも渡る安定性確認テストの結果、キネマティックミラーマウントについて、極めて高い安定度が求められる実験のために適した部品を選択することができたのです。

熱ヒステリシス
多くの実験室内の温度は、空調や室内にいる人数、設備の動作状況などの影響を受けて不安定です。そのため、アライメントに敏感な光学セットアップで使用されるマウントには、温度によるアライメントへの影響が最小限となる設計が求められます。温度の影響は、ステンレススチールのように熱膨張係数(CTE)が小さい材質を選ぶことによって抑えられます。しかしCTEが小さい材質で作られたマウントであっても、元の温度に戻った時、一般にミラーは元の位置に戻りません。Ø12.7 mm(Ø1/2インチ)光学素子用Polarisミラーマウントの重要部品は全て組立前に熱処理が施され、温度ヒステリシスを生じさせる可能性のある内部応力が除去されています。その結果、ミラーマウントの温度をアライメントの時点での温度に戻すと、光学系のアライメントも元に戻ります。

Polarisのもう1つの重要な設計要素は、ミラーのマウントへの固定方法です。こちらのPolarisマウントは、接着剤を使用せずに優れた性能を実現します。接着剤の代わりに3点接触プレート、ウェーブワッシャ、ステンレススチール製の固定リングを使用して光学素子を固定します。この設計により、ビームポインティング安定性を保ちながら、光学素子の表面の歪みを最小限にします。

クロストーク
クロストークは、マウントの前面と背面のプレートの寸法公差を注意深く管理して、ピッチとヨーのアクチュエータを直交の位置関係にすることで最小化できます。当社ではさらに3つの接触点で全てサファイアシートを使用しております。標準的な金属-金属のアクチュエータの接触点では時間が経過するにつれて摩耗します。Polarisマウントでは研磨されたサファイアシートが使われており、硬化処理されたステンレススチール製のアクチュエーターチップとの間の接触面では時間が経過しても整合性が保たれます。

ドリフトならびにバックラッシュ
ミラーマウントの位置ドリフトとバックラッシュを最小限に抑えるためには、アジャスタ内のあそびと潤滑剤の量を制限することが必要です。アクチュエータが調整されると、余分な潤滑剤は絞り出されて他の部位に移動し、そこで蓄積します。潤滑剤はゆっくりと平衡状態に戻っていきますが、その過程でマウントの前面プレートが移動する場合があります。Polarisマウントでは、工業規格よりも厳しい基準で本体と整合性のあるアジャスタを使用しているので、アジャスタの潤滑剤はほんのわずかしか必要ありません。また、アジャスタは非常に滑らかに動かすことができるので、繰り返し細かい調整を行なうことができます。

クリーンルームおよび真空への対応
こちらのページでご紹介しているPolarisマウントは、すべてクリーンルームや真空での使用が可能です。マウントは、Carpenter AAA不動態化処理による化学洗浄を行い、表面から硫黄、鉄、汚染物質などを除去しています。不動態化処理の後は、クリーンな(汚染されていない)環境下で組み立て、2重の真空バッグに入れてクリーンルームに搬入するまでの間に汚染されないようにしています。

Click to Enlarge
Polarisマウントは、2重の真空バッグに封入して発送しています。

サファイアシートは、NASAで認証されたアウトガスの少ない手法を用いて、所定の位置に接着されています。また、アジャスタには、DuPont社製LVP高真空対応グリースKrytox(超高真空対応のアウトガスの少ないPTFEグリース)を使用しています。このような技術により、高真空への対応とアウトガスの低減を実現しています。10^-5 Torrより高い真空度で使用するときは、アウトガスによる汚染を最小限に止めるために、マウントの設置前に適切なベークアウト処理を施すことを強くお勧めします。なお、Polarisに付属しているM4キャップスクリュは、10^-5 Torr以上の真空度には対応していませんのでご注意ください。

クリーンルーム対応の梱包
真空対応のPolarisマウントは、クリーンな(汚染されていない)環境下で組み立てられた後、右の写真のように2重の真空バッグに封入されます。真空気密により袋が密着するためマウントが安定し、輸送時の衝撃等による前面プレートの移動も制限されます。また、密着することで袋とマウントの摩擦も最小限に抑えられるため、袋の材料が削られてクリーンなマウントを汚染することも防げます。

真空封止の工程では、水分が含まれた空気がパッケージから排出されます。そのため、乾燥剤を使用することなく、不要な表面反応を防止できます。真空バッグは、輸送および保管中の空気や埃による汚染からマウントを保護し、さらに2重であることでクリーンルームへの入室手順をシンプルで有効性の高いものにすることができます。クリーンルームの外で外側の袋を外し、汚染されていない内側の袋に入ったマウントをクリーンなコンテナに入れてクリーンルーム内に搬入できます。この間、真空バッグの利点は保持されています。クリーンルーム内では、マウントを内側の袋から取り出して、すぐにご使用いただくことができます。

Click to Enlarge
Ø25 mmのステンレススチール製台座付きポストに取り付けられたPOLARIS-K05F6

Polaris^®キネティックミラーマウントは、温度変化や振動のある環境でも優れた性能が得られるように設計されています。以下では、性能を最大限に引き出すための使用上のヒントを示します。

整合材料の使用
Polarisマウントの前面および背面プレートの材料には、熱膨張係数が比較的小さなステンレススチールが用いられています。取付ける場合は、当社のØ25 mmステンレススチール製ポストなど、同じ材料から加工されたコンポーネントの使用をお勧めします。

取付け方
Polarisマウントにポストを取り付ける場合は、Ø25 mm台座付きポストやØ25 mmポストなどのステンレススチール製ポストと、クランプアームPOLARIS-CA1/Mを組み合わせて用いることをお勧めします。マウント本体と同じ材料から加工されたコンポーネントを選ぶことで、膨張率や収縮率を整合させることができます。また、安定性を向上させるために、可能な限り短いポストのご使用をお勧めします。さらに優れた性能を得るには、M6-M4ネジアダプタ(型番AE4M6M)を使用してPolarisマウントをブレッドボードなどの平坦な表面に直接取り付けてください。取り付け面が極めて平坦で研磨されており、異物や傷がないことをご確認ください。

マウントのアライメント
アライメントする際に前面プレートとベースプレートが平行になるように調整しておくと、その後のミラーによる反射ビームの変動は最小に抑えられます。これは、全ての調整ネジの温度変化に伴う熱膨張が均等になることによります。温度が変化した時に、マウントされたミラーは回転せずに、Z軸方向に移動します。

Click to Enlarge

前面プレート位置
このマウントでは10°までの調整が可能ですが、最良の性能を得るためには、前面プレートを可能な限り背面プレートに対して平行に保つことをお勧めします。そうすることで高い安定性が得られます。

接触部の研磨とクリーニング
マウントとポストの接触部、およびポストとテーブルの接触部はクリーンな状態を維持し、傷や欠陥が生じないように注意してください。最も効果がある方法として、テーブル面には研磨石を、ポストの上下面とマウントの底面には研磨パッドを使用してクリーニングすることをお勧めします。

推奨しない使い方
本体からアジャスタ(アジャスターノブではありません)を取り外すことは推奨していません。取り外すとネジに汚れが付着し、精密な調整ができなくなる可能性があります。また前面プレートを引き離すような操作は避けてください。バネが作動範囲以上に伸びてしまったり、サファイアシートにヒビが入ったりする可能性があります。光学素子を所定の位置に保持するウェーブワッシャを押さえる固定リングは、締め付け過ぎないようにご注意ください。光学素子の位置を固定するには、わずかな力で十分です。さらに詳しい情報については「低歪み」タブをご参照ください。

アジャスタの止めナット
3アジャスタ型低歪みマウントPOLARIS-K05F6および2アジャスタ型マウントPOLARIS-K05F2には、止めナットが予め取り付けられています。調整用つまみネジまたは六角レンチでビーム位置を保持しながら、止めナットを手または薄型レンチかコーンレンチで軽く締め付けます。アジャスタをたびたび調整しなければならない場合には、止めナットは手でおよそ0.03～0.06 N·mのトルクで軽く締め付けるだけで十分です。長期的な安定性が求められる場合には、トルクレンチTW6(下記参照)を使用して各止めナットを0.17 N•mのトルクで締め付けることができます。止めナット締付け時のクロススレッド(斜めにねじ込む状態)を防ぐために、まず止めナットをアジャスタに当て、次にネジが整合する感触が得られるまで止めナットを緩める方向に回し、そのあとで止めナットをアジャスタにねじ込んでください。止めナットには、Polarisマウントと同様に、あらかじめ超高真空対応のアウトガスの少ないPTFEグリースが塗布されており、また、アジャスタとの適合性も試験されています。

小さな入射角
Polaris低歪みマウントの端にはくぼみがあるので、小さな入射角で使用しなければならない用途でもご利用いただけます。右図は、Ø12.7 mm(1/2インチ)ミラー(緑色)が取り付けられている2つのPolaris低歪みマウントを、垂直に近い入射角で使用している様子を示しています。