Entwicklung eines piezoaktuierten Tip/Tilt Spiegels

Abstract

Kippspiegelsysteme stellen eine weit verbreitete Technologie zur präzisen und dynamischen Ablenkung von Laser- oder Lichtstrahlen dar und werden in vielen Bereichen von Wissenschaft und Technik eingesetzt. Diese Arbeit diskutiert die Entwicklung und Konstruktion eines piezoaktuierten Kippspiegelsystems, mit dem Ziel einer möglichst hohen Systemperformanz hinsichtlich Geschwindigkeit (Bandbreite) und Stellbereich zu erreichen, sowie die Analyse und Regelung des designten und konstruierten Kippspiegel-Prototypen. Um ein solches System entwickeln zu können, wird zuerst der aktuelle Stand der Technik und jene Designparameter ermittelt, die ausschlaggebend zur Erreichung einer möglichst hohen Systemperformanz sind. Im Hinblick auf präzise Scan-Anwendungen, wird das Kippspiegelsystem mit einem integrierbaren optischen Sensorsystem in einem geschlossenen Regelkreis betrieben. Dabei werden geeignete Reglerdesigns für Raster-, Lissajous- und Dreieck-Sinus-Trajektorien entworfen. Die Tracking-Eigenschaften der Regler werden für die jeweilige Trajektorie bewertet und es wird ein Vergleich der Trajektorien hinsichtlich ihrer räumliche Auflösung angestellt. Der konstruierte Systemprototyp erreicht im geschlossenen Regelkreis, bei Verwendung eines breitbandigen PI-Reglers, eine Bandbreite von 2,7 kHz und einen mechanischen Kippwinkel von ± 2, 38 mrad.

Tip/Tilt mirror systems are a widely spread technology for precise and dynamic stearing of a laser or light beam and are used in many areas of science and technology. This work discusses the development and construction of a piezo-actuated tip/tilt mirror system with the aim of achieving a high system performance with regard to speed (bandwidth) and travel range, as well as the analysis and control of the designed and constructed tip/tilt mirror prototype. To enable the development of such a system, the current state of the art is reviewed and design parameters, which are decisive for achieving a high system performance, are determined. In view of precise scanning applications, the tip/tilt mirror system is operated with an integrated optical sensor system and feedback controls in a closed control loop. Appropriate controllers are designed for a raster, lissajous and triangular-sine trajectories. The tracking errors of the controllers are evaluated for the respective trajectory and a comparison of the trajectories with regard to their spatial resolution is made. When employing a proportional-integral controller, the designed system prototype reaches a bandwidth of 2,7 kHz and a mechanic tilt angle of ± 2, 38 mrad in closed loop.