Development of a fast steering mirror

Abstract

Schnelle Kippspiegel (engl.: fast steering mirror - FSM) stellen die optimale Technologie für zahlreiche Anwendungen in Wissenschaft, Industrie und anderen Bereichen dar, in denen eine dynamische Führung von Laser- oder Lichtstrahlen erforderlich ist und die dafür Einrichtungen benötigen welche schnell, präzise und kompakt sind, hohe Auflösung und einen ausreichenden Stellbereich aufweisen. Diese Arbeit präsentiert eine detaillierte Diskussion zweier, sehr unterschiedlicher FSM Systeme, die jene Faktoren hervorhebt, welche von erheblicher Bedeutung für zukünftige Entwicklungen mit dem Ziel einer Maximierung der Systemperformanz sind. Es wird zunächst die Analyse und der geregelte Betrieb eines kommerziellen Kippspiegelsystems beschrieben. Der Fokus liegt dabei darauf das Systemdesign zu analysieren und Ansätze für ein verbessertes System zu liefern. Das System verfügt über Lorentz Aktuatoren, hat einen Stellbereich von +-1.5° (+-26.2mrad) und erreicht mit dem entworfenen Regler eine Kleinsignalbandbreite von 330Hz. Des Weiteren wird in dieser Arbeit das Design, die Analyse und der Aufbau eines neuen schnellen Kippspiegelsystems dokumentiert, welches auf einem neuartigen elektromagnetischen Aktuator basiert, der die Trennung des mechanischen und elektrischen Teilsystems durch eine ebene Grenzfläche erlaubt. Dieses System wird über einen Positionsfeedback in einer geschlossenen Regelschleife betrieben und besitzt einen, von einer rein aus Gummi gefertigten Aufhängung gehaltenen, Spiegel, der von dem neuen Aktuator über einen langen Hebelarm um zwei rotatorische Achsen bewegt werden kann. Die Systemdynamik erlaubt bei geschlossener Regelschleife dabei eine Kleinsignalbandbreite von 130Hz und einen Stellbereich von +-0. 5° (+-8.7mrad).

Fast Steering Mirrors (FSMs) are the proper technology for scientific, industrial and other applications where beam steering operations are needed, that demand an optical device which is fast, precise, compact and has high resolution as well as sufficient angular range. This thesis provides a detailed discussion on two entirely different FSM systems, emphasizing the factors that are indispensable and of great importance for future endeavours aiming to push the system-s performance to its limit. First, the analysis and testing of an "off-the-shelf" FSM system is presented, placing the focus on analysing its design and on coming up with suggestions for an improved device. The system is equipped with voice coil actuators, proved to have an angular range of +-1.5° (+-26.2mrad) and reached a closed loop small signal bandwidth of 330Hz with the designed controller. Further this work includes the detailed description of the design, analysis, assembly and testing of a new Fast Steering Mirror Magnetic Actuator Rubber Bearing Concept (FSM MARC) system. The system is based on a novel electromagnetic actuator type, which allows the introduction of a plane interface completely separating the electrical from the mechanical subsystem. The FSM MARC features a suspension system made solely out of rubber and a mirror driven by the new actuator via a long rod around two rotational axes. It is controlled via a position feedback loop so that the dynamic performance of the built prototype shows a small signal bandwidth of 130Hz and an angular range of +-0. 5° (+- 8.7mrad).