Un soporte de espejo es un dispositivo que sostiene un espejo . [1] En la investigación óptica , estos pueden ser dispositivos bastante sofisticados, debido a la necesidad de poder inclinar el espejo en cantidades controladas, mientras se lo mantiene en una posición precisa cuando no se lo está ajustando.
Un soporte de espejo óptico generalmente consta de una placa frontal móvil que sostiene el espejo y una placa posterior fija con tornillos de ajuste. Los tornillos de ajuste mueven la placa frontal sobre los ejes de rotación en las direcciones de inclinación (vertical) y de guiñada (horizontal). Un tercer actuador opcional a menudo permite la traslación del eje z. [2]
Los soportes de espejo de precisión pueden ser bastante caros y su diseño requiere una cantidad considerable de ingeniería. Estos soportes sofisticados suelen ser necesarios para láseres , interferómetros y líneas de retardo óptico .
El tipo más común de montura de espejo es la montura cinemática . [3] Este tipo de montura está diseñada de acuerdo con los principios de determinación cinemática . Normalmente, el marco móvil que sostiene el espejo gira sobre un cojinete de bolas que se coloca en un orificio en el marco fijo. Idealmente, este orificio debe ser triedro (en forma de pirámide). A menudo se utiliza un orificio cónico debido a que es más fácil de fabricar. El marco gira mediante dos micrómetros o tornillos de rosca fina , con puntas con cojinetes de bolas de acero. Uno de estos cojinetes de bolas descansa en una ranura en V, el otro descansa sobre una superficie plana. En monturas más económicas, la superficie plana puede ser simplemente el material de la montura. En monturas más caras, la superficie plana (y quizás el orificio y la ranura en V también) pueden estar hechas de un material mucho más duro (a menudo zafiro ), colocado en el marco.
La razón de este extraño mecanismo es que la primera bola (idealmente) hace contacto con el marco fijo en exactamente tres puntos, la segunda bola en dos y la tercera bola en solo uno. Estos seis puntos de contacto limitan exactamente los seis grados de libertad para el movimiento del marco móvil. Esto produce un movimiento preciso del marco cuando se giran los micrómetros o los tornillos, sin oscilaciones ni fricción innecesarias.
Una desventaja de los soportes cinemáticos es que el centro del espejo se mueve a lo largo de su eje normal cuando el espejo gira. Esto se debe a que el centro de rotación es el centro del primer cojinete de bolas, no el centro del espejo. En el caso de las cavidades ópticas y los interferómetros , suele ser deseable poder alinear los espejos por separado de los ajustes a la longitud de la cavidad. Para estas aplicaciones y otras, se requiere un soporte más sofisticado.
Una forma de eliminar esta traslación a lo largo del eje es colocar también la primera bola sobre un tornillo de rosca fina. Mediante el ajuste adecuado de los tres tornillos, el espejo se puede inclinar en cualquier dirección sin traslación. Los tornillos pueden ser accionados por un motor controlado por ordenador para que al operador le parezca que se trata de una simple rotación sobre un punto de pivote virtual en el centro de la superficie del espejo. En cambio, la traslación se puede eliminar mecánicamente utilizando un soporte de cardán , que utiliza dos anillos que pivotan cada uno sobre una línea que pasa por el centro del espejo. Esto proporciona una rotación cinemáticamente correcta de dos ejes sobre el centro del espejo.
Con ambos tipos de montura, se necesitan resortes para mantener el marco presionado contra los cojinetes de bolas, a menos que la montura esté diseñada para usarse solo en una orientación donde la gravedad mantendrá el marco en su lugar. Siguiendo el principio del voladizo , una montura grande permite un control más fino que una más pequeña. Los marcos están hechos idealmente de un material ligero, para hacer que la frecuencia de resonancia de la estructura sea alta. Esto reduce la vibración, ya que muchas fuentes comunes de vibración son de frecuencia relativamente baja. Para la estabilidad, el marco fijo está sostenido por una montura rígida que está atornillada de forma segura a una superficie de apoyo. En un entorno de laboratorio, esto suele ser una mesa óptica . Un golpe puede hacer que la montura se aleje de los cojinetes de bolas, pero como solo hay 6 contactos duros, el espejo volverá a la posición original, preservando la alineación.
La propia montura debe evitar la deformación de la óptica montada. La tensión de la montura puede introducir aberraciones en la luz reflejada por un espejo o fotoelasticidad en el interior de una lente. En algunos láseres, los espejos deben sustituirse fácilmente, en cuyo caso la montura debe estar diseñada para permitir que el espejo se pueda quitar y sustituir sin perder la alineación correcta.
Los tornillos de rosca fina presentan un comportamiento de deslizamiento y pegado ; cuando se utilizan manualmente, se aplica un par de torsión con dos dedos hasta que la rosca se desliza un poco, luego se lee la nueva posición en una escala. Los tornillos económicos tienen deslizamientos largos y carecen de escala. Los micrómetros de precisión funcionan mejor y proporcionan una escala de referencia. Cuando se utilizan de forma remota, se utiliza un motor eléctrico para aplicar pulsos cortos de par de torsión. El motor está firmemente conectado con el tornillo y la rosca y nada más, de modo que el pulso es absorbido por la fricción. Para leer la posición electrónicamente, se conecta un codificador rotatorio . Cuando la bola no está completamente centrada en el tornillo y el eje del tornillo no es normal a la superficie del espejo (que es una característica explícita de algunos soportes de espejo de alta gama), un pequeño error de coseno en el movimiento del espejo se superpone al movimiento lineal del tornillo, que un controlador podría compensar. Si se requiere un control más preciso sobre la posición del espejo, se pueden utilizar espejos accionados por piezoeléctricos con una distancia de movimiento de unos pocos μm y sin el fenómeno de pegado y deslizamiento de un tornillo mecánico.
Los espejos con cavidad láser necesitan una alineación muy precisa. Debido a su baja divergencia, los rayos láser necesitan espejos de dirección precisos. Para la creación rápida de prototipos en una mesa óptica, se pueden utilizar soportes de espejo para sujetar otros elementos además de los espejos; por ejemplo, a menudo es necesario alinear las lentes para lograr un coma mínimo . A veces, los prismas solo necesitan una alineación de dos ejes y se pueden montar en un soporte de espejo en lugar de en una mesa de prismas de tres ejes.
Los cristales adaptados a la fase crítica se pueden alinear y ajustar con precisión con un soporte de espejo estándar. Lo mismo se aplica a los etalones pequeños , retardadores y polarizadores . Además, los soportes de espejo que utilizan imanes en lugar de resortes permiten quitar el marco móvil y volver a colocarlo exactamente en la misma posición.