CN109828342B - 一种多功能超稳光学参考腔及其安装方法 - Google Patents
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Abstract
本发明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。
Description
技术领域
本发明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。
背景技术
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。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明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，本发明采用的技术方案是，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。
本发明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。
与现有技术相比本发明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，其具有空间三维方向上振动敏感度都低的特性，进而降低空间三维方向上的低频振动对于超稳光学参考腔的影响。另外，与减振装置(如金属橡胶减振弹簧)相结合，其四个不同的点支撑可以满足空间发射升空产生的数百个重力加速度的冲击和振动需求；该超稳光学参考腔在三个方向都布置有高反射镜，这样就可以一个腔体实现三个超稳光学参考腔，且因其空间结构对称性，不会恶化振动敏感度；其可以根据需要设计不同波长的超稳光学参考腔，也可以设计成同一种波长的超稳光学参考腔，这样可以实现在不增大体积和质量等资源条件下，采用多腔的多个光学频率合成技术降低热噪声的目的；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。
进一步地，球形腔体上设置八个球形凹面槽的主要作用是：方便支撑杆和超稳光学参考腔的联结；支撑杆与超稳光学参考腔的球形凹面槽实现面接触，减小应力集中，从而减小对于超稳光学参考腔的破坏；同时，球形腔体上设置八个球形凹面槽，在空间方向上实现结构对称，在其它凹面槽出现故障，可以方便装配和调节更换。
进一步地，球形凹面槽的轴线指向球形腔体的球心，与X、Y和Z轴的正方向之间均成54.7°角，能够实现在结构上较好的对称性。
进一步地，将支撑杆做成前端支撑体和后端加力螺栓两部分，可以根据具体情况进行调节支撑杆的长度；前端支撑体和超稳光学参考腔联结时，前端支撑体采用弹性体，如特氟龙或托朗，后端加力螺栓采用金属制造，保证了后端加力螺栓与连接孔之间实现刚性的螺纹连接。
附图说明
图1为本发明整体结构示意图。
图2为球形腔体结构示意图。
图3为球形腔体内部结构示意图，其中，图3为球形腔体整体结构示意图，图4为图3的A-A剖视图，图5为图3的C-C剖视图，图6为图3的D-D剖视图，图7为图3的B-B剖视图。
图8到图10为图1中支撑杆的结构示意图；其中，图8为支撑杆的正视图，图9为图8的A-A截面剖视图，图10为支撑杆的轴测图。
图11和图12为图1中支撑架的结构示意图；其中，图11为支撑架的整体结构示意图，图12为图11中A处结构放大示意图。
附图中，1-球形腔体；2-高反镜，3-支撑架；4-后端加力螺栓，5-前端支撑体，6-抽气孔，7-球形凹面槽，8-通光孔，9-内螺纹孔；10-第一排气孔，101-第二排气孔，11-连接孔；12-三角形平面。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施方式，对本发明作进一步的解释说明：
如图1、图2和图3到图7所示的一种多功能超稳光学参考腔，包括球形腔体1、支撑架3、支撑杆，球形腔体1上开设有贯穿球形腔体的通光孔8，通光孔8的中心轴线通过球形腔体1的球心，通光孔8包括第一通光孔8-1、第二通过光孔8-2和第三通光孔8-3，而且第一通光孔8-1、第二通过光孔8-2和第三通光孔8-3两两相互垂直。在通光孔8的两端处的球形腔体1上均开设有圆面，圆面与通光孔8相互垂直，圆面的中心线和通光孔8的中心轴线重合，通光孔8的两端均设置有高反射镜2，高反射镜2与圆面之间通过光胶的方式粘接在一起。球形腔体1的外壁开设有八个球形凹面槽7，球形凹面槽7为盲孔，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；这里说的X轴与第一通光孔轴8-1线重合，Y轴与第二通光孔8-2轴线重合，Z轴与第三通光孔8-3轴线重合。球形腔体1上的球形凹面槽7内开设有抽气孔6，抽气孔6的中心轴线通过球形腔体1的球心。
如图1和图11和图12所示，支撑架3为立方体结构框架，支撑架3为一体化结构，在支撑架3的每个顶点处剖切有与连接孔11垂直的三角平面12。支撑架3的八个顶点剖切的三角平面12处均开设有连接孔11，连接孔11的轴线指向球形腔体1的球心，连接孔11为螺纹孔。球形腔体1设置在支撑架3内通过支撑杆与支撑架3连接，支撑杆的一端与球形凹面槽7连接，另一端与支撑架3上的连接孔11连接。本实施方式中，共用四根支撑杆支撑球形腔体1，其中两根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，另两根支撑杆分别通过支撑架3底面的第二对角线位置的连接孔11与球形腔体1连接，第一对角线与第二对角线垂直。
如图1和图8、图9和图10所示，支撑杆包括前端支撑体5和后端加力螺栓4，前端支撑体5的一端为与球形凹面槽7配合的球头凸面，远离前端支撑体5的球头凸面开设有一段外螺纹；后端加力螺栓4开设有一段与前端支撑体5上外螺纹配合的内螺纹孔9，后端加力螺栓4上还开设有与连接孔11的内螺纹配合的外螺纹。前端支撑体5上开设有第一排气孔10，后端加力螺栓4上开设有第二排气孔101，抽气孔6、第一排气孔10以及第二排气孔101的中心轴线均在同一条直线上。
本发明的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3的一个面固定在光学平台等上面，将球形腔体1托举进入支撑架3的内部，注意不要让球形腔体1和支撑架3之间发生碰撞，以免损坏球形腔体1。因为该球形腔体1一般用低膨胀玻璃加工而制。如果为了节约支撑架3的尺寸，可以在托举进入支撑架3内部的时候要按照一定的角度进入方可，此时的支撑架3尺寸必须满足该球形腔体1进入的最小尺寸，否则无法进入。另外托举进入支撑架3的时候一定采取防护措施防止球形腔体1被污染；
第二步：将前端支撑体5的后部带有螺纹的部分，即圆柱部分，拧进后端加力螺栓4的前部开设的内螺纹孔9内部，直至拧紧为止，并将弹簧垫片套入后端加力螺栓4螺纹部分；
第三步：将后端加力螺栓4拧进支撑架3顶面第一对角线上两个连接孔11，连接孔11为螺纹孔，直至拧紧并达到需要的预紧力为止；
第四步：松开支撑架3和光学平台之间的连结，将支撑架3和球形腔体1翻转180度，然后固定支撑架3和光学平台，将另两个后端加力螺栓4拧进支撑架3底面第二对角线上两个连接孔，直至拧紧并达到需要的预紧力为止。
如图1到图12所示，本发明包含1个球形腔体1，即球形超稳光学参考腔腔体，其上布置8个球形凹面槽，所述8个球形凹面槽7的轴线与X、Y和Z轴之间均成54.7°角，3个通光孔和4个抽气孔；3组高反射镜，4个支撑杆和1个支撑架3。
所述球形腔体1和3组高反射镜2一起构成完整的超稳光学参考腔，球形腔体1上通过8个球形凹面槽7的4个与4个支撑杆相互配合支撑球形超稳光学参考腔腔体；腔体三个正交方向上通过光胶的方式与三组高反射率(99.99％以上)的镜片相联结，且球形腔体1在3个正交方向上开设有通光孔。球形凹面槽7中内设置有抽气孔6。
所述3组高反射率的镜片通过光胶的方式分别粘贴与腔体的三个正交方向上，高反射镜上镀有99.99％以上反射率的膜层，镜子的尺寸按照标准采用。镜子的镀膜波段根据实际需要加工，但同一通光孔方向上的两个镜子应当为同一类波段的膜层。
在本发明的某一实施例中，支撑杆均由两部分组成，分别为后端加力螺栓4以及绝热材料制成的前端支撑体5，前端支撑体5一端为球面结构，球面结构与球形腔体1上的球形凹面槽7相互配合，前端支撑体5另一端通过螺纹与后端加力螺栓4连接；后端加力螺栓4与支撑架3通过螺纹连接，且后端加力螺栓4与支撑架3之间压紧有松紧垫片。
在本发明的某一实施例中，支撑架3为一体化结构，其与4个支撑杆通过螺纹连接，在本实施例中，支撑架3为立方体结构，在其8个角处都加工有三角形平面12，在三角形平面12中心开有连接孔11，连接孔11为内螺纹孔，该螺纹孔和后端加力螺栓4螺纹连接实现球形腔体1的加力预紧，支撑架3承受整个超稳光学参考腔的受力。
如图2球形光学参考腔结构示意图和图3球形腔体内部结构示意图所示，其上布置有三个正交通光孔8，它们都通过球形腔体的球心，方向分别沿着X、Y和Z三个轴的轴向设置，通光孔8的直径根据需要的光斑半径、凹面反射镜的曲率半径和实验操作的技能共同决定。通光孔的两端切割出两个圆面，其大小根据所粘贴的高反镜的尺寸决定，该圆面与对应的通光孔相互垂直，圆面的中心和通光孔的轴线重合。圆面与高反镜之间通过光胶的方式进行连接，圆面经过精磨工艺，表面粗糙度满足光胶要求，将镜面与圆面进行光胶。通光孔8的目的是用于光的通过，三组高反射率的镜片都通光光胶的方式牢固的与球形腔体1相联结，每组反射镜可以分为：凹面反射镜和平面反射镜、平面反射镜和平面反射镜、凹面反射镜和凹面反射镜等。每一组的反射镜上所镀的膜类型应当一致，3组反射镜可以根据需要镀不同的膜类型。
每个抽气孔6的轴线都经过球体的中心，抽气孔6主要作用是方便真空的抽气，球形凹面槽的是为了和支撑杆相互配合达到按照一定角度和预紧力实现超稳光学参考腔的装配和固定。
如图11和图12所示为腔体支撑关系结构图，抽气孔的轴线与X、Y和Z轴的正方向之间分别成54.7°角，该角度的选取是经过严格计算，如图11和图12所示为支撑架的结构示意图，支撑架是一体的结构，从外形上看成立方体结构，每条支撑柱的几何结构和长度等相同，其上加工有8个螺纹孔，螺纹孔的尺寸和后端加力螺栓相同，其轴线和抽气孔的轴线共线，该螺纹孔为通孔。在八个角上加工有8个三角平面，该三角平面的三条边是相等的，三条边的长度根据实际需要进行调整，其和该部分的螺纹孔轴线是垂直的，螺纹孔的轴线经过该三角平面的几何中心。
腔体支撑杆详图如图8、图9和图10所示，其有前端支撑体和后端加力螺栓构成，后端加力螺栓前部加工有内部螺纹孔，螺纹孔的尺寸和前端支撑体的后端螺纹相同。后端加力螺栓中心加工有抽气孔，该抽气孔为通孔。前端支撑体的前部加工有球面凸面，该凸面和腔体上球形凹面槽是相互配合的，前端支撑体中心也开有中心抽气孔，该孔是通孔。前端支撑体的材料应当为绝热，但也必须具有一定的刚度要求。
Claims (8)
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；
前端支撑体(5)上开设有第一排气孔(10)，所述第一排气孔(10)为通孔，后端加力螺栓(4)上开设有第二排气孔(101)，所述第二排气孔(101)为通孔且第二排气孔(101)与第一排气孔(10)连通；所述球形腔体(1)上与支撑杆连接的球形凹面槽(7)内开设有抽气孔(6)，所述抽气孔(6)为通孔，其中心轴线通过球形腔体(1)的球心。
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2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(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孔(9)，所述后端加力螺栓(4)上还开设有与所述连接孔(11)的内螺纹配合的外螺纹。
6.根据权利要求3所述的一种多功能超稳光学参考腔，其特征在于：所述前端支撑体(5)的球头凸面与球形腔体(1)上的球形凹面槽(7)之间为活动连接，在所述通光孔(8)的两端处的球形腔体(1)上均开设有圆面，所述圆面与通光孔(8)相互垂直，所述圆面的中心线和通光孔(8)中心轴线重合，所述通光孔(8)的两端均设置有高反射镜(2)，所述高反射镜(2)与圆面连接。
7.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：所述支撑架(3)为一体化结构，在支撑架(3)的每个顶点处剖切有与所述连接孔(11)的中心轴线垂直的三角形平面(12)。
8.根据权利要求1～7任意一项所述的一种多功能超稳光学参考腔的安装方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步：将支撑架(3)的一个面固定在光学平台面上，将球形腔体(1)托举进入支撑架(3)的内部；
第二步：将前端支撑体(5)上开设有外螺纹的部分拧进加力螺栓上开设有内螺纹孔(9)的部分，直至拧紧为止并将弹簧垫片套入后端加力螺栓(4)上；
第三步：将两个后端加力螺栓(4)拧进支撑架顶面第一对角线上两个连接孔(11)，直至达到需要的预紧力为止；
第四步：松开支撑架(3)和光学平台之间的连结，将支撑架(3)和球形腔体(1)翻转180度，然后固定支撑架(3)和光学平台，将另两个后端加力螺栓(4)拧进支撑架(3)底面第二对角线上两个连接孔(11)，直至达到需要的预紧力为止。
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