一种多功能超稳光学参考腔及其安装方法技术

本发明专利技术公开了一种多功能超稳光学参考腔及其安装方法，包括球形腔体、支撑杆和支撑架，所述球形腔体上开设有贯穿球形腔体的通光孔，所述通光孔的中心轴线通过球形腔体的球心，所述通光孔包括第一通光孔、第二通过光孔和第三通光孔，所述第一通光孔、第二通过光孔和第三通光孔两两相互垂直；所述第一通光孔的轴线为X轴，第二通过光孔的轴线为Y轴，第三通光孔的轴线为Z轴；本发明专利技术可实现有效降低空间三维方向上的低频振动，不增大体积和质量等资源条件下，增加腔长降低热噪声的目的；提高空间中超稳光学参考腔有效腔长的稳定性，即提高超窄线宽激光的频率稳定性，在不增加资源的条件下，也可以实现三台超窄线宽激光器并完成它们的性能评估和测试。

A Multifunctional Ultra-stable Optical Reference Cavity and Its Installation Method

The invention discloses a multifunctional ultra-stable optical reference cavity and its installation method, including a spherical cavity, a support rod and a support frame. The spherical cavity is provided with a through-light hole through the spherical cavity. The central axis of the through-light hole passes through the spherical cavity's spherical center. The through-light hole includes the first through-light hole, the second through-light hole and the third through-light hole, and the first through-light hole and the third through-light hole. Second, through the optical aperture and the third through optical aperture are perpendicular to each other; the axis of the first through optical aperture is X axis, the axis of the second through optical aperture is Y axis, and the axis of the third through optical aperture is Z axis; the invention can effectively reduce the low frequency vibration in the three-dimensional direction of space, increase the cavity length and reduce the thermal noise without increasing the volume and mass, and improve the ultra-stable optical parameters in space. In order to improve the frequency stability of ultra-narrow linewidth lasers, three ultra-narrow linewidth lasers can be realized without increasing resources, and their performance evaluation and testing can be completed.

【技术实现步骤摘要】
一种多功能超稳光学参考腔及其安装方法
本专利技术属于超稳光学参考腔领域，具体涉及一种多功能超稳光学参考腔及其安装方法。
技术介绍
超窄线宽激光具有极高的光谱纯度和频率稳定度，是高精密测量的一种重要手段，其在光钟、高精密光谱测量、引力红移测量和相对论的检验、甚长基线干涉和引力波观测等领域具有广泛的应用，且在其它工业领域有着重要的应用前景，例如，卫星导航、相干通信、激光陀螺和激光测距等。通常，超窄线宽激光器是通过Pound-Drever-Hall(PDH)稳频技术将激光频率锁定在超稳光学参考腔的谐振频率上来实现的。在控制环路噪声可以忽略的条件下，超窄线宽激光的频率稳定性主要决定于超稳光学参考腔有效腔长的稳定性。目前，影响超稳光学参考腔腔长变化的低频振动和热噪声，已成为超窄线宽激光性能进一步提高的主要限制因素。另外，随着空间探索的强烈和迫切需求，空间超稳光学参考腔的研制已经迫在眉睫，但空间超稳光学参考腔需要适应火箭发射升空的高达数百个重力加速度的振动冲击，空间的体积和承重量等资源受到严格的约束，且技术指标要求高，指标测试难度大，空间要受到三维方向上的振动扰动(含旋转振动)。在空间资源(体积和承重量等)有限的条件下，一般空间中只采用一台超窄线宽激光器，而单台超窄线宽激光器难以实现技术指标和性能的测试评估。在现有技术中，为了解决上述影响超稳光学参考腔腔长变化的低频振动和热噪声的问题，通常使用如下方法：(1)降低超稳光学参考腔低频振动的方法，其主要采用：基于隔振器(包括主动隔振和被动隔振)隔离之上降低超稳光学参考腔振动敏感度。其通常采用有限元分析的方法来优化超稳光学参考腔的支撑位置和形状来获得较低的振动敏感度。地面实验室解决的仅仅是一维主振动问题，但针对空间应用还没有很好的解决降低三维(含旋转)振动敏感度问题，目前，研制的可搬运的(含空间)超稳光学参考腔难以实现三维(含旋转)方向上振动敏感度都低的性能。(2)降低超稳光学参考腔热噪声的方法，其一般包括：增加超稳光学参考腔的腔长、低温技术和低热噪声的材料等。增加光学参考腔的腔长在地面实验室是可行的，但在空间资源(体积和承重量等)有限的条件下，该方法无疑是不可行的；低温技术体积庞大，空间应用不成熟，其虽然可以大幅度的降低热噪声，但因空间资源(体积和承重量等)有限，要想实现基本不可能；低热噪声材料往往需要低温技术和更高精度的控温作为代价的，一般在空间中也很难适应，并且成熟的低热噪声材料不能满足某些波段的需求，例如单晶硅虽然具有较低的热噪声，但是其必须处于低温环境，且只能适应于1000nm以上波段的需求，不适应于其以下波段的应用。综上所述，为了提高超稳光学参考腔有效腔长的稳定性(即为了提高超窄线宽激光的频率稳定性)，通常使用降低超稳光学参考腔低频振动和降低超稳光学参考腔热噪声的方法，但现有技术中使用的关于降低超稳光学参考腔低频振动和降低超稳光学参考腔热噪声的技术手段，仅仅适合在地面实验室中应用，而要在空间中继续应用上述技术手段来降低超稳光学参考腔低频振动和降低超稳光学参考腔热噪声，将会面临两个问题：一是现有技术中使用的降低超稳光学参考腔低频振动的技术手段，只能降低地面实验室中一维主振动问题，而针对在空间中，目前尚无降低空间三维(含旋转)方向上的振动的技术手段；二是现有技术中使用的降低超稳光学参考腔热噪声的技术手段，因空间资源(体积和承重量等)有限，无法在空间中继续应用。另外，在空间资源(体积和承重量等)有限的条件下，一般空间中只采用一台超窄线宽激光器，而单台超窄线宽激光器难以实现空间高技术指标和性能的测试评估。
技术实现思路
针对现有技术中存在的问题，本专利技术的目的是提供一种多功能超稳光学参考腔及其安装方法，实现了有效降低空间三维方向上的低频振动，不增大体积和质量等资源条件下，增加腔长降低热噪声的目的；提高空间中超稳光学参考腔有效腔长的稳定性，即提高超窄线宽激光的频率稳定性，在不增加资源的条件下，也可以实现三台超窄线宽激光器并完成它们的性能评估和测试。为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是，一种多功能超稳光学参考腔，包括球形腔体、支撑杆和支撑架，所述球形腔体上开设有贯穿球形腔体的通光孔，所述通光孔的中心轴线通过球形腔体的球心，所述通光孔包括第一通光孔、第二通过光孔和第三通光孔，所述第一通光孔、第二通过光孔和第三通光孔两两相互垂直；所述第一通光孔的轴线为X轴，第二通过光孔的轴线为Y轴，第三通光孔的轴线为Z轴；所述球形腔体的外壁开设有八个球形凹面槽，所述球形凹面槽为盲孔，所述球形凹面槽的轴线指向球形腔体的球心，且与X、Y和Z轴的正方向之间均成54.7°角；所述球形腔体与支撑架之间通过支撑杆连接，所述支撑杆的一端与球形凹面槽连接，另一端连接在支撑架上。进一步的，所述支撑架为立方体结构框架，所述支撑架的八个顶点处均开设有连接孔，所述球形腔体设置在支撑架内，且球形腔体的球心与支撑架的中心重合，所述连接孔的中心轴线指向球形腔体的球心；支撑杆与支撑架上的连接孔连接。进一步的，两根所述支撑杆分别通过支撑架顶面的第一对角线位置的连接孔与球形腔体连接，另两根所述支撑杆分别通过支撑架底面的第二对角线位置的连接孔与球形腔体连接，所述第一对角线与第二对角线垂直。进一步的，所述第一通光孔和第二通过光孔分别与支撑架的侧面垂直。进一步的，所述支撑杆包括后端加力螺栓和前端支撑体组装成，所述前端支撑体的一端为与球形凹面槽配合的球头凸面，前端支撑体上远离球头凸面的位置开设有一段外螺纹；所述后端加力螺栓开设有一段与所述前端支撑体上外螺纹配合的内螺纹孔，所述后端加力螺栓上还开设有与所述连接孔的内螺纹配合的外螺纹。进一步的，所述前端支撑体上开设有第一排气孔，所述第一排气孔为通孔，所述后端加力螺栓上开设有第二排气孔，所述第二排气孔为通孔且第二排气孔与第一排气孔连通。进一步的，所述球形腔体上与支撑杆连接的球形凹面槽内开设有抽气孔，所述抽气孔为通孔，其中心轴线通过球形腔体的球心。进一步的，所述前端支撑体的球头凸面与球形腔体上的球形凹面槽之间为活动连接，在所述通光孔的两端处的球形腔体上均开设有圆面，所述圆面与通光孔相互垂直，所述圆面的中心线和通光孔中心轴线重合，所述通光孔的两端均设置有高反射镜，所述高反射镜与圆面连接。进一步的，所述支撑架为一体化结构，在支撑架的每个顶点处剖切有与所述连接孔的中心轴线垂直的三角形平面。本专利技术还提供了一种多功能超稳光学参考腔的安装方法，包括以下步骤：第一步：将支撑架的一个面固定在光学平台面上，将球形腔体托举进入支撑架的内部；第二步：将前端支撑体上开设有外螺纹的部分拧进加力螺栓上开设有内螺纹孔的部分，直至拧紧为止并将弹簧垫片套入后端加力螺栓上；第三步：将两个后端加力螺栓拧进支撑架顶面第一对角线上两个连接孔，直至达到需要的预紧力为止；第四步：松开支撑架和光学平台之间的连结，将支撑架和球形腔体翻转180度，然后固定支撑架和光学平台，将另两个后端加力螺栓拧进支撑架底面第二对角线上两个连接孔，直至达到需要的预紧力为止。与现有技术相比本专利技术至少具有以下有益效果：采用球形结构设计光学参考腔，并优化设计从四个不同的点支撑球形腔体。球形具有完美的空间结构对称性，结合优化设计的从四个不同的点支撑，其具有空间本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种多功能超稳光学参考腔，其特征在于：包括球形腔体(1)、支撑杆和支撑架(3)，所述球形腔体(1)上开设有贯穿球形腔体(1)的通光孔(8)，所述通光孔(8)的中心轴线通过球形腔体(1)的球心，所述通光孔(8)包括第一通光孔、第二通过光孔和第三通光孔，所述第一通光孔、第二通过光孔和第三通光孔两两相互垂直；所述第一通光孔的轴线为X轴，第二通过光孔的轴线为Y轴，第三通光孔(8‑3)的轴线为Z轴；所述球形腔体(1)的外壁开设有八个球形凹面槽(7)，所述球形凹面槽(7)为盲孔，所述球形凹面槽(7)的轴线指向球形腔体(1)的球心，且与X、Y和Z轴的正方向之间均成54.7°角；所述球形腔体(1)与支撑架(3)之间通过支撑杆连接，所述支撑杆的一端与球形凹面槽(7)连接，另一端连接在支撑架(3)上。

【技术特征摘要】
1.一种多功能超稳光学参考腔，其特征在于：包括球形腔体(1)、支撑杆和支撑架(3)，所述球形腔体(1)上开设有贯穿球形腔体(1)的通光孔(8)，所述通光孔(8)的中心轴线通过球形腔体(1)的球心，所述通光孔(8)包括第一通光孔、第二通过光孔和第三通光孔，所述第一通光孔、第二通过光孔和第三通光孔两两相互垂直；所述第一通光孔的轴线为X轴，第二通过光孔的轴线为Y轴，第三通光孔(8-3)的轴线为Z轴；所述球形腔体(1)的外壁开设有八个球形凹面槽(7)，所述球形凹面槽(7)为盲孔，所述球形凹面槽(7)的轴线指向球形腔体(1)的球心，且与X、Y和Z轴的正方向之间均成54.7°角；所述球形腔体(1)与支撑架(3)之间通过支撑杆连接，所述支撑杆的一端与球形凹面槽(7)连接，另一端连接在支撑架(3)上。2.根据权利要求1所述的一种多功能超稳光学参考腔，其特征在于：所述支撑架(3)为立方体结构框架，所述支撑架(3)的八个顶点处均开设有连接孔(11)，所述球形腔体(1)设置在支撑架(3)内，且球形腔体(1)的球心与支撑架(3)的中心重合，所述连接孔(11)的中心轴线指向球形腔体(1)的球心；支撑杆与支撑架(3)上的连接孔(11)连接。3.根据权利要求2所述的一种多功能超稳光学参考腔，其特征在于：两根所述支撑杆分别通过支撑架(3)顶面的第一对角线位置的连接孔(11)与球形腔体(1)连接，另两根所述支撑杆(2)分别通过支撑架(3)底面的第二对角线位置的连接孔(11)与球形腔体(1)连接，所述第一对角线与第二对角线垂直。4.根据权利要求1所述的一种多功能超稳光学参考腔，其特征在于：所述第一通光孔和第二通过光孔分别与支撑架(3)的侧面垂直。5.根据权利要求1所述的一种多功能超稳光学参考腔，其特征在于：所述支撑杆包括后端加力螺栓(4)和前端支撑体组装成(5)，所述前端支撑体(5)的一端为与球形凹面槽(7)配合的球头凸面，前端支撑体(5)上远离球头凸面的位置开设有一段外螺纹；所述后端加力螺栓(4)开设有一段与所述前端支撑体(5)上外螺纹配合的内螺纹...

【专利技术属性】
技术研发人员：许冠军，焦东东，陈龙，张林波，刘军，臧琦，邓雪，刘涛，董瑞芳，张首刚，
申请(专利权)人：中国科学院国家授时中心，
类型：发明
国别省市：陕西,61