一种温漂自补偿的光学腔制造技术

本发明专利技术涉及光学技术领域，具体为一种温漂自补偿的光学腔。目的是为了解决现在大部分装置都采用主动的温度控制技术或者热膨胀系数极低的腔体材料所导致的系统操作复杂性和系统失效的风险，以及光学腔系统的成本过高等问题。本发明专利技术包括一个主腔体部件、两个副腔体部件和两个镜片。本发明专利技术利用不同材料热膨胀系数的差异，通过设计部件的长度和结构，在能够保证有效光学腔腔长的同时极大减小或者抵消其对外界温度变化引起的漂移，从而获得稳定的光学频率参考。

An Optical Cavity with Temperature Drift Self-Compensation

The invention relates to the field of optical technology, in particular to an optical cavity with temperature drift self-compensation. The purpose is to solve the problems of system operation complexity and system failure risk caused by active temperature control technology or low thermal expansion coefficient cavity materials in most devices, and the high cost of optical cavity system. The invention comprises a main cavity component, two auxiliary cavity components and two lenses. By using the difference of thermal expansion coefficient of different materials and designing the length and structure of components, the invention can ensure the effective optical cavity length while greatly reducing or counteracting the drift caused by the change of external temperature, so as to obtain a stable optical frequency reference.

【技术实现步骤摘要】
一种温漂自补偿的光学腔
本专利技术涉及光学
，具体为一种温漂自补偿的光学腔。
技术介绍
光学腔是现代激光频率稳定、模式过滤和利用激光吸收检测特定气体浓度装置中的通用器件，然而一般的光学腔受到腔体材料的热膨胀影响，其腔长随外界环境温度起伏而变化，导致光学腔的共振频率也随外界温度的起伏而漂移，严重影响光学腔在各种实验和检测中的应用。为了抑制这种光学腔的温漂，现在大部分装置都采用主动的温度控制技术或者热膨胀系数极低的腔体材料，如ULE玻璃、Zerodur微晶玻璃等材料。主动温度控制技术增加了系统操作复杂性的同时也引人的系统失效的风险，同时也增加了光学腔的成本。热膨胀系数极低玻璃材料在室温下的热膨胀系数都在10-8/K的量级，利用其制作的光学腔的温漂极低。然而，这些玻璃材料价格昂贵、不易加工，并且加工出的腔体脆弱容易破碎，不利于极端环境下的应用。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种温漂自补偿的光学腔，以解决上述
技术介绍
中提出的现在大部分装置都采用主动的温度控制技术或者热膨胀系数极低的腔体材料所导致的系统操作复杂性和系统失效的风险，以及光学腔系统的成本过高等问题。为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：一种温漂自补偿的光学腔，包括一个主腔体部件、两个副腔体部件和两个镜片，所述主腔体部件中部为贯穿的圆柱形空腔，所述两个副腔体部件分别插装在圆柱形空腔的两端，所述每个副腔体部件面向圆柱形空腔的内侧延伸设置有凸块，所述凸块设置有贯穿的阶梯孔，所述凸块的外壁和圆柱形空腔的内壁之间留有空隙，阶梯孔朝向圆柱形空腔内侧的为小孔，外侧的为大孔，所述两个镜片分别安装在两个阶梯孔的大孔中，所述两个镜片(3)和两个阶梯孔(201)的大孔之间留有间隙。所述两个副腔体部件外侧设有圆柱形凹槽，使装配更加方便，所述圆柱形凹槽与凸块上设置的贯穿的阶梯孔相通，所述圆柱形凹槽的直径大于阶梯孔大孔的直径，这样设置镜片可以通过相应的辅助器件固定于凸块上设置的贯穿阶梯孔的大孔中，也可通过相应的辅助器件调节镜片的位置。所述主腔体部件1由热膨胀系数在0-10×10-6/K量级的材料制成，在外界温度变化时，此主腔体部件的长度随着温度起伏发生相应的伸长或者缩短。较低的热膨胀系数确保主腔体部件的长度起伏量能够被下述的较短的副腔体部件的热膨胀补偿。所述两个副腔体部件2由热膨胀系数在15-50×10-6/K量级的材料制成，在外界温度变化时，此副腔体腔体部件的长度随着温度起伏发生相应的伸长或者缩短。较高的热膨胀系数确保能够用较短的副腔体部件补偿前述的热膨胀系数低的较长的主腔体部件的热膨胀，从而使所述光学腔的腔长在温度起伏时保持稳定。所述主腔体部件的长度为l0，所述主腔体部件的两端面到两个镜片靠近圆柱形空腔内侧端面之间的距离分别为l1和l2，所述主腔体部件热膨胀系数为α1，所述两个副腔体部件的热膨胀系数分别为α21、α22，其中l0、l1、l2、α1、α21和α22之间满足如下关系：l0×α1＝l1×α21+l2×α22，且α1＜(α21，α22)。设计满足上述关系式的光学腔在外界温度变化ΔT时主腔体部件热膨胀引起的长度变化量(l0×α1)×ΔT正好被两个副腔体部件热膨胀引起的长度变化量(l1×α21+l2×α22)×ΔT补偿，从而整体的腔长(两个镜片之间的距离)不随外界温度的起伏而变化，确保光学腔的共振频率的温度稳定性。一种温漂自补偿的光学腔，包括一个主腔体部件、两个副腔体部件、两个镜片和压电陶瓷，所述主腔体部件中部为贯穿的圆柱形空腔，所述两个副腔体部件分别插装在圆柱形空腔的两端，所述两个副腔体部件面向圆柱形空腔的内侧延伸设置有凸块，所述凸块设置有贯穿的阶梯孔，所述凸块的外壁和圆柱形空腔的内壁之间留有空隙，阶梯孔朝向圆柱形空腔内侧的为小孔，外侧的为大孔，在其中一个或者两个所述凸块的阶梯孔的大孔中均安装有压电陶瓷，所述压电陶瓷的侧面和阶梯孔的大孔之间留有空隙，当在其中一个所述凸块的阶梯孔的大孔中安装压电陶瓷时，所述压电陶瓷的一个端面和阶梯孔的小孔直接接触，另一个端面上粘接有一个镜片，另一个镜片安装在另一个所述凸块的阶梯孔的大孔中，所述镜片和阶梯孔的大孔之间留有间隙；当在两个所述凸块的阶梯孔的大孔中安装压电陶瓷时，压电陶瓷安装在每个所述凸块的阶梯孔的大孔中，所述每个压电陶瓷的一个端面和阶梯孔的小孔直接接触，另一个端面上粘接有镜片。所述两个副腔体部件外侧设有圆柱形凹槽，使装配更加方便，所述圆柱形凹槽与凸块上设置的贯穿的阶梯孔相通，所述圆柱形凹槽的直径大于阶梯孔大孔的直径，这样设置镜片可以通过相应的辅助器件固定于凸块上设置的贯穿阶梯孔的大孔中，也可通过相应的辅助器件调节镜片的位置。所述主腔体部件1由热膨胀系数在0-10×10-6/K量级的材料制成，在外界温度变化时，此主腔体部件的长度随着温度起伏发生相应的伸长或者缩短。较低的热膨胀系数确保主腔体部件的长度起伏量能够被下述的较短的副腔体部件的热膨胀补偿。所述两个副腔体部件2由热膨胀系数在15-50×10-6/K量级的材料制成，在外界温度变化时，此副腔体腔体部件的长度随着温度起伏发生相应的伸长或者缩短。较高的热膨胀系数确保能够用较短的副腔体部件补偿前述的热膨胀系数低的较长的主腔体部件的热膨胀，从而使所述光学腔的腔长在温度起伏时保持稳定。所述主腔体部件的长度为l0，所述主腔体部件的两端面到镜片或压电陶瓷靠近圆柱形空腔内侧端面之间的距离分别为l1和l2，所述主腔体部件热膨胀系数为α1，所述两个副腔体部件的热膨胀系数分别为α21、α22，所述压电陶瓷的热膨胀系数为α3，所述压电陶瓷的厚度为d，其中l0、l1、l2、α1、α21、α22、α3和d之间满足如下关系：l0×α1＝l1×α21+l2×α22-d×α3，且α1＜(α21，α22)。设计满足上述关系式的光学腔在外界温度变化ΔT时主腔体部件热膨胀引起的长度变化量(l0×α1)×ΔT正好被两个副腔体部件热膨胀引起的长度变化量(l1×α21+l2×α22)×ΔT和压电陶瓷引起的长度变化量(d×α3)×ΔT补偿，从而整体的腔长(两个镜片之间的距离)不随外界温度的起伏而变化，确保光学腔的共振频率的温度稳定性。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：1.相比常用的用单一的普通材料制作的光学腔较大的温度漂移，本专利技术利用不同材料热膨胀系数的差异，通过设计部件的长度和结构，在能够保证有效光学腔腔长的同时极大减小或者抵消其对外界温度变化引起的漂移，从而获得稳定的光学频率参考。2.本专利技术可采用普通低值的普通材料——如石英、殷钢、硬质铜合金或者铝合金等——构成，能够获得可以和昂贵的超低膨胀材料——如ULE玻璃、Zerodur微晶玻璃等——制作的光学参考腔相比的热稳定性。同时普通材料的易加工性、对极端环境的耐受性，使得本专利技术在极大降低了加工成本的同时能够适用于更广泛的应用环境。附图说明图1为本专利技术的整体外观图；图2为本专利技术实施例1的断面图；图3为本专利技术实施例2的断面图；图4为本专利技术实施例3的断面图；图5为本专利技术副腔体部件的断面结构示意图；图6为本专利技术实施例1标注尺寸的断面图；图7为本专利技术实施例2标注尺寸的断面图；图8为本专利技术实施例3标注尺寸的断面图；图中：1-主腔体部件、11-圆柱形空腔、2-副腔本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种温漂自补偿的光学腔，其特征在于：包括一个主腔体部件(1)、两个副腔体部件(2)和两个镜片(3)，所述主腔体部件(1)中部为贯穿的圆柱形空腔(11)，所述两个副腔体部件(2)分别插装在圆柱形空腔(11)的两端，所述每个副腔体部件(2)面向圆柱形空腔(11)的内侧延伸设置有凸块(21)，所述凸块(21)设置有贯穿的阶梯孔(201)，所述凸块(21)的外壁和圆柱形空腔(11)内壁之间留有空隙，阶梯孔(201)朝向圆柱形空腔(11)内侧的为小孔，外侧的为大孔，所述两个镜片(3)分别安装在两个阶梯孔(201)的大孔中，所述两个镜片(3)和两个阶梯孔(201)的大孔之间留有间隙。

【技术特征摘要】
1.一种温漂自补偿的光学腔，其特征在于：包括一个主腔体部件(1)、两个副腔体部件(2)和两个镜片(3)，所述主腔体部件(1)中部为贯穿的圆柱形空腔(11)，所述两个副腔体部件(2)分别插装在圆柱形空腔(11)的两端，所述每个副腔体部件(2)面向圆柱形空腔(11)的内侧延伸设置有凸块(21)，所述凸块(21)设置有贯穿的阶梯孔(201)，所述凸块(21)的外壁和圆柱形空腔(11)内壁之间留有空隙，阶梯孔(201)朝向圆柱形空腔(11)内侧的为小孔，外侧的为大孔，所述两个镜片(3)分别安装在两个阶梯孔(201)的大孔中，所述两个镜片(3)和两个阶梯孔(201)的大孔之间留有间隙。2.根据权利要求1所述的一种温漂自补偿的光学腔，其特征在于：所述两个副腔体部件(2)外侧设有圆柱形凹槽(22)，使装配更加方便，所述圆柱形凹槽(22)与凸块(21)上设置的贯穿的阶梯孔(201)相通，所述圆柱形凹槽(22)的直径大于阶梯孔(201)大孔的直径。3.根据权利要求2所述的一种温漂自补偿的光学腔，其特征在于：所述主腔体部件(1)由热膨胀系数在0-10×10-6/K量级的材料制成。4.根据权利要求3所述的一种温漂自补偿的光学腔，其特征在于：所述两个副腔体部件(2)由热膨胀系数在15-50×10-6/K量级的材料制成。5.根据权利要求1-4任一项所述的一种温漂自补偿的光学腔，其特征在于：所述主腔体部件(1)的长度为l0，所述主腔体部件(1)的两端面到两个镜片(3)靠近圆柱形空腔(11)内侧端面之间的距离分别为l1和l2，所述主腔体部件(1)热膨胀系数为α1，所述两个副腔体部件(2)的热膨胀系数分别为α21、α22，其中l0、l1、l2、α1、α21和α22之间满足如下关系：l0×α1＝l1×α21+l2×α22，且α1＜(α21，α22)。6.温漂一种自补偿的光学腔，其特征在于：包括一个主腔体部件(1)、两个副腔体部件(2)、两个镜片(3)和压电陶瓷(4)，所述主腔体部件(1)中部为贯穿的圆柱形空腔(11)，所述两个副腔体部件(2)分别插装在圆柱形空腔(11)的两端，所述两个副腔体部件(2)面向圆柱形空腔(11)的内侧延伸设置有凸块(21)，所...

【专利技术属性】
技术研发人员：李刚，张鹏飞，张天才，
申请(专利权)人：山西大学，
类型：发明
国别省市：山西,14