[發(fā)明專利]抗振型光學(xué)參考腔振動敏感度分析及設(shè)計參考腔的方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202010103216.6
• 申請日: 2020-02-19
• 公開（公告）號: CN111324933B
• 公開（公告）日: 2023-03-21
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 陳龍;劉濤;許冠軍;焦東東;張林波;劉軍;董瑞芳;張首剛
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院國家授時中心
• 主分類號: G06F30/17
• 分類號: G06F30/17;G06F30/23;G06F119/14;G06F111/10
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責(zé)任公司 61200
• 代理人: 李鵬威

本發(fā)明公開了抗振型光學(xué)參考腔振動敏感度分析及設(shè)計參考腔的方法，以第一主加速度方向為一維坐標(biāo)軸，坐標(biāo)數(shù)值大的支撐物進行三維固定約束，坐標(biāo)數(shù)值小的支撐物施加擠壓力，計算第一參考腔腔長形變量；建立與第一參考腔模型完全相同的第二參考腔模型，只改變主加速度載荷值，其他設(shè)置均不變，重復(fù)以上步驟進行仿真計算，計算第二參考腔腔長形變量；最后，計算擬分析的參考腔的振動敏感度，根據(jù)上述計算步驟，計算各個參數(shù)化變量下的振動敏感度，選出參考腔最佳的設(shè)計參數(shù)，本發(fā)明能準(zhǔn)確的反應(yīng)參考腔的實際受力情況，充分考慮了各個參數(shù)化變量的情況，具備最佳的設(shè)計參數(shù)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于超穩(wěn)光學(xué)參考腔技術(shù)領(lǐng)域，具體屬于抗振型光學(xué)參考腔振動敏感度分析及設(shè)計參考腔的方法。

背景技術(shù)

具有極高頻率穩(wěn)定度的窄線寬激光器作為高精密測量的一種手段，在基本物理常數(shù)測量、引力波探測、測地學(xué)、原子光鐘等科學(xué)與技術(shù)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。實現(xiàn)窄線寬激光器的方法主要有兩種，一種是利用原子或分子能級躍遷譜線的穩(wěn)定性，如飽和吸收譜等，將激光頻率鎖定在躍遷譜線中心頻率上，達到激光穩(wěn)頻的目的，該方法得到的激光頻率穩(wěn)定度約為10^-13量級；另一種是基于光學(xué)參考腔的Pound-Drever-Hall(PDH)穩(wěn)頻技術(shù)，該方法將相位調(diào)制光譜技術(shù)與光外差探測技術(shù)結(jié)合，把激光頻率精密鎖定在光學(xué)參考腔的共振頻率上，具有鑒頻信號強、中心頻率處斜率大、控制范圍寬等特點，廣泛用于超穩(wěn)激光的產(chǎn)生。使用PDH穩(wěn)頻技術(shù)進行激光穩(wěn)頻時，是將激光頻率鎖定在參考腔的共振頻率上，該共振頻率的穩(wěn)定性取決于參考腔的長度穩(wěn)定性，因此參考腔的長度穩(wěn)定性決定了穩(wěn)頻激光的頻率穩(wěn)定性。而振動導(dǎo)致的參考腔長度穩(wěn)定性變化已經(jīng)成為限制超穩(wěn)激光性能進一步提升的關(guān)鍵因素之一。因此計算參考腔振動敏感度成為了研制超穩(wěn)激光的關(guān)鍵一環(huán)。

目前大多數(shù)超穩(wěn)激光都是僅工作在實驗室環(huán)境中，參考腔的一般固定方式是將參考腔放置三個或者四個支撐面上，在重力約束下，使其保持平衡狀態(tài)。2006年Chen等人首次提出利用有限元分析軟件通過數(shù)值模擬的方法分析計算參考腔的振動敏感度(2006,PHYSICAL REVIEW A,74,053801,)。隨后世界各研究小組均采用數(shù)值模擬的方法分析參考腔的振動敏感度，從而優(yōu)化設(shè)計參考腔結(jié)構(gòu)及支撐位置。具體操作方法是：第一，建立參考腔的幾何模型，主要包括參考腔腔體、反射鏡(由于反射鏡表面鍍膜很薄，一般不需要單獨對鍍膜層建模)；第二，選取參考腔的支撐面，并對所有支撐面進行三維固定設(shè)置，同時增加外部載荷——主加速度；第三，對模型進行網(wǎng)格劃分；第四，運行有限元分析軟件，計算參考腔形變；第五，以兩反射鏡內(nèi)表面中心位置的距離表示參考腔長度，仿真前后該距離沿光軸方向的變化量ΔL與參考腔原長度L的比值ΔL/L，即為該參考腔的振動敏感度，單位為g^-1，g為主加速度。

隨著航天技術(shù)的發(fā)展，美國、歐盟、日本等世界發(fā)達國家和組織爭相開展在太空領(lǐng)域的光鐘研究計劃，以爭取獲得時間頻率的制高點，達到導(dǎo)航、衛(wèi)星、國防更高精度的應(yīng)用，抗振型超穩(wěn)激光越來越受到各研究小組的青睞，其中抗振型超穩(wěn)光學(xué)參考腔成為該研究領(lǐng)域的熱點。2011年Webster等人提出了一種基于立方腔體四點對稱擠壓支撐的光學(xué)參考腔(2011,Opt.Lett.36,3572)，如圖1所示，該立方體參考腔八個頂角均沿體對角線進行切割，切割成八個正三角形面，對其中構(gòu)成正四面體的四個頂角面使用特氟龍半球進行支撐，由于該參考腔進行了三維約束，具有較好的抗振效果，作者使用有限元分析軟件分析了四個頂面擠壓力對參考腔長度變化的影響，并從實驗上測得該參考腔最大的振動敏感度為2.5×10^-11/g，該振動敏感度為已知參考腔中振動敏感度最低的參考腔。2018年華東師范大學(xué)研究了類似100mm邊長的立方體參考腔，并且在8個頂角面的正三角形平面中心挖圓錐孔，類似的于其中四個圓錐孔進行固定支撐，在進行振動敏感度的有限元分析時，作者將四個支撐錐面進行三維固定設(shè)置，并施加主加速度，仿真分析腔長的變化。