CN114625187A - 一种高精度温度控制的超稳光学腔 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高精度温度控制的超稳光学腔，包括真空系统、温度控制系统和综合程序控制系统；所述真空系统用于为高精度温度控制的超稳光学腔提供良好的真空环境；所述温度控制系统用于提高高精度温度控制的超稳光学腔的可操控性和高精度，通过集成在真空腔内的多层温度控制和支撑结构，保持了超稳光学腔的温度恒定；所述综合程序控制系统用于为高精度温度控制的超稳光学腔提供便捷的实时显示、记录和反馈功能，便于及时做出调整和优化；实时读取和记录真空度和温度值，同时将采集到的数据进行处理。本发明提高了超稳光学腔在温度控制方面的精度，保证超稳光学腔的有效腔长，并且在温度控制模式上可实现制冷和制热模式，扩展了适用范围。
Description
技术领域
本发明涉及超稳光学腔技术领域，具体涉及一种高精度温度控制的超稳光学腔。
背景技术
目前，超窄线宽激光器广泛应用在光频原子钟、低噪声微波信号产生、引力波的探测、基本物理常量的测量、光通信和暗物质的寻找等方面。这些应用对激光的频率稳定性要求很高，而未经稳频的激光容易受到低频噪声，温度波动等周围环境因素的干扰而使激光频率不稳定，出现频率的短期抖动和长期漂移，故而需要对激光进行稳频。然而，不管是主动稳频还是被动稳频技术，其实质都是对光学谐振腔的腔长进行稳定。人们正是基于这一原理创造出了超稳光学腔，它保证了光学谐振腔的高稳定性，可实现对激光的稳频和窄线宽。同时，超稳光学腔还可以广泛应用于国防、航空航天、量子调控领域以及微波测量等领域。
目前的超稳光学腔存在的问题是，低频振动和温度稳定性影响了其有效腔长的稳定性。对于低频振动，通常的做法是将整套超稳光学腔放置在主动和被动隔振平台上，通过主被动隔振，将腔的低频振动降低。而为了进一步降低腔体的低频振动，还采取了有限元分析的手段，通过仿真模拟，计算出腔体最佳的支撑点位置，在该支撑点可得到腔体受到振动时最小的腔长变化和腔镜倾斜角变化。在温度控制方面，商用超稳光学腔的温度控制精度仅达到了10-2℃，其做法是将控温元件和温度传感器放置在真空腔外。这样，由于外界环境的干扰和超腔内的真空环境导致的温度读取延时和误差，使得温度控制精度达不到最好的效果。同时商用超稳光学腔只能将温度控制在室温以上，面对超稳光学腔腔体零膨胀温度工作点在室温以下的情况就没有适用性了。而且，商用超稳光学腔未能实现对真空腔内实时真空度和温度的记录和对比，在观测和记录上存在难度。
发明内容
有鉴于此，为了解决现有技术中的上述问题，本发明提出一种高精度温度控制的超稳光学腔，用于减少外界低频振动，隔绝外界温度波动的影响以及实现对超稳光学腔更加灵活精确的温度控制。
本发明通过以下技术手段解决上述问题：
一种高精度温度控制的超稳光学腔，包括真空系统、温度控制系统和综合程序控制系统；
所述真空系统用于为高精度温度控制的超稳光学腔提供良好的真空环境；
所述温度控制系统用于提高高精度温度控制的超稳光学腔的可操控性和高精度，通过集成在真空腔内的多层温度控制和支撑结构，保持了超稳光学腔的温度恒定；
所述综合程序控制系统用于为高精度温度控制的超稳光学腔提供便捷的实时显示、记录和反馈功能，便于及时做出调整和优化；实时读取和记录真空度和温度值，同时将采集到的数据进行处理。
进一步地，所述真空系统包括光学腔、光学腔底座和热辐射屏蔽室；
所述光学腔放置在光学腔底座上，由多个支撑小球支撑；
所述光学腔底座上设置有支撑孔，支撑小球放置在光学腔底座的支撑孔上，支撑孔的侧面开有通气孔，便于真空抽气；
所述光学腔的顶部中心同样开有通气孔，便于真空抽气；
所述热辐射屏蔽室内部设置有凹槽，光学腔与光学腔底座放置在热辐射屏蔽室内部的凹槽中。
进一步地，所述热辐射屏蔽室的两端设置有精抛光的无氧铜做的盖子，通过上下左右四个螺丝固定。
进一步地，所述真空系统还包括铝合金控温室，热辐射屏蔽室通过带螺纹的支撑顶丝固定于铝合金控温室内；
所述热辐射屏蔽室腔体上设置有多个小凹槽，是支撑顶丝的固定点；
所述支撑顶丝其中一端旋于铝合金控温室四周的螺纹孔内，另一端顶于热辐射屏蔽室表面的小凹槽上。
进一步地，所述真空系统还包括定位环，定位环辅助定位热辐射屏蔽室至铝合金控温室的中心位置；所述定位环的内壁与热辐射屏蔽室的外壁贴合，外壁与铝合金控温室的内壁贴合，当定位环固定完毕后，将支撑顶丝旋紧，而后通过定位环两侧的螺孔上拧紧的螺丝将定位环拔出。
进一步地，所述铝合金控温室的顶部中心安装有温度传感器；所述铝合金控温室的周围安装有半导体制冷片；
所述温度传感器和半导体制冷片与真空腔外的温度控制系统连接；
所述铝合金控温室与半导体制冷片之间夹有一块铟片，半导体制冷片与真空腔底座之间同样夹有一块铟片。
进一步地，所述真空系统还包括真空腔底座，所述铝合金控温室设置于真空腔底座内。
进一步地，所述铝合金控温室底面的4个角落分别开有4个小孔，用于通过螺丝与真空腔底座固定；螺丝与铝合金控温室之间夹有垫片；真空腔底座上设置有真空腔上盖。
进一步地，所述真空系统还包括离子泵、离子泵控制器、角阀和特殊三通；
所述离子泵控制器与离子泵通过离子泵高压线连接；
所述特殊三通的A、B端开口口径为CF35；C端开口口径为CF16；
所述光学腔、光学腔底座、热辐射屏蔽室、铝合金控温室和真空腔底座组成真空系统的真空腔体；
所述特殊三通的A端开口与真空腔体连接，所述特殊三通的B端开口与离子泵连接，所述特殊三通的C端开口与角阀连接。
进一步地，所述温度控制系统包括温度控制器和温度控制器连接线，所述温度控制器通过温度控制器连接线与真空腔体连接；
所述综合程序控制系统包括电脑、第一DB9针转USB数据线和第二DB9针转USB数据线；
所述电脑通过第一DB9针转USB数据与温度控制器连接，所述电脑通过第二DB9针转USB数据线与离子泵控制器连接；
所述电脑将采集到的数据进行处理并且绘制成波形图。
与现有技术相比，本发明的有益效果至少包括：
本发明通过集成了一套高精度温度控制的超稳光学腔，提高了超稳光学腔在温度控制方面的精度，保证超稳光学腔的有效腔长，并且在温度控制模式上可实现制冷和制热模式，扩展了本发明的适用范围。本发明携带的综合程序控制系统可实现对实时真空度及温度的记录、显示和反馈，便于及时对超稳光学腔进行优化和调整。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为高精度温度控制的超稳光学腔整体结构图；
图2为真空系统结构图；
图3为热辐射屏蔽室结构图；
图4为铝合金控温室结构图；
图5为铝合金控温室与真空腔底座安装结构图；
图6为综合程序控制系统程序执行流程图；
图7为综合程序控制系统操作界面；
图8为综合程序控制系统数据记录图。
附图中：1-真空腔底座、2-CF16法兰窗口、3-离子泵、4-真空腔上盖、5-特殊三通、6-角阀、A-特殊三通A端、B-特殊三通B端、C-特殊三通C端、7-热辐射屏蔽室、8-光学腔底座、9-光学腔、10-铝合金控温室、11-支撑顶丝、12-定位环、13-聚四氟乙烯垫片、14-温度传感器、15-半导体制冷片、16-真空腔体、17-离子泵高压线、18-离子泵控制器、19-温度控制器、20-DB9针转USB数据线、21-电脑、22-温度控制器连接线。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面将结合附图和具体的实施例对本发明的技术方案进行详细说明。需要指出的是，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明提出的高精度温度控制的超稳光学腔，包括真空系统、温度控制系统和综合程序控制系统。
所述真空系统为高精度温度控制的超稳光学腔提供了良好的真空环境，良好的真空环境可以有效隔绝外界低频噪声和温度波动对超腔腔体腔长稳定性的影响，保证超腔的有效腔长。
所述温度控制系统提高了高精度温度控制的超稳光学腔的可操控性和高精度，通过集成在真空腔内的多层温度控制和支撑结构，保持了超稳光学腔的温度恒定，减少了真空腔体内部温度波动对超稳光学腔腔长稳定性的影响。
所述综合程序控制系统为高精度温度控制的超稳光学腔提供了便捷的实时显示、记录和反馈功能，便于及时做出调整和优化。
如图3所示，所述真空系统包括光学腔9、光学腔底座8和热辐射屏蔽室7；光学腔9放置在光学腔底座8上，由4个氟橡胶支撑小球支撑。支撑小球放置在光学腔底座8的支撑孔上，支撑孔的侧面开有通气孔，便于真空抽气。支撑孔的位置是经过有限元仿真得到的光学腔9的最佳支撑位置，在该位置上振动对光学腔9的腔长和腔镜的倾斜度影响最小。光学腔9的顶部中心同样开有通气孔，便于真空抽气。光学腔9与光学腔底座8放置在热辐射屏蔽室7内部的凹槽中。
所述热辐射屏蔽室7的两端有同样是精抛光的无氧铜做的盖子，通过上下左右四个螺丝固定。所述热辐射屏蔽室7腔体上有6个小凹槽，是支撑顶丝的固定点。
如图4所示，所述真空系统还包括铝合金控温室10，所述热辐射屏蔽室7通过6个带螺纹的聚四氟乙烯支撑顶丝11固定于铝合金控温室10内，支撑顶丝11其中一端旋于铝合金控温室10四周的螺纹孔内，另一端顶于热辐射屏蔽室7表面的小凹槽上。期间，可运用定位环12辅助定位热辐射屏蔽室7至铝合金控温室10的中心位置。所述定位环12的内壁与热辐射屏蔽室7的外壁贴合，外壁与铝合金控温室10的内壁贴合，当定位环12固定完毕后，可将支撑顶丝11旋紧，而后通过定位环两侧的螺孔上拧紧的螺丝将定位环12拔出。
如图5所示，所述铝合金控温室10的顶部中心安装了温度传感器14，温度传感器14的作用是读取实时温度数据，并将数据反馈给温度控制器19。
所述铝合金控温室10的周围安装有半导体制冷片15；所述温度传感器14与半导体制冷片15通过信号线连接航空插头，航空插头通过信号线与真空腔外的温度控制器19连接。
所述真空系统还包括真空腔底座1，所述铝合金控温室10设置于真空腔底座1内。所述铝合金控温室10与半导体制冷片15之间夹着一块铟片，半导体制冷片15与真空腔底座1之间同样夹着一块铟片，铟片作为导热介质，有利于半导体制冷片15与铝合金控温室10和真空腔底座1之间的传热。所述铝合金控温室10的底面与真空腔底座1的底面同样是平面结构，便于接触传热。所述铝合金控温室10底面的4个角落分别开有4个小孔，其目的是可通过螺丝与真空腔底座1固定。螺丝与铝合金控温室10之间夹着聚四氟乙烯垫片，其目的是减少铝合金控温室10与真空腔底座1之间的热传递。
如图2所示，所述真空腔底座1做为温度控制系统的热沉，将腔体四壁充分利用，扩展了热沉的散热面积，提高了散热效果，同时保证了真空度。真空腔底座1上设置有真空腔上盖4。
所述真空系统还包括离子泵3、离子泵控制器18、角阀6和特殊三通5。
所述离子泵控制器18与离子泵3通过离子泵高压线17连接。
所述特殊三通5的A、B端开口口径为CF35，保证了真空抽速，有利于真空环境的保持，C端开口口径为CF16，为系统减轻了体积和重量，并且开口的方向有利于系统的集成化，节省空间，同时不阻拦光路搭建。
所述光学腔9、光学腔底座8、热辐射屏蔽室7、铝合金控温室10和真空腔底座1组成真空系统的真空腔体16；
所述特殊三通5的A端开口与真空腔体16连接，所述特殊三通5的B端开口与离子泵3连接，所述特殊三通5的C端开口与角阀6连接。
所述温度控制系统包括温度控制器19和温度控制器连接线22，所述温度控制器19通过温度控制器连接线22与真空腔体16连接。
所述综合程序控制系统包括电脑21、第一DB9针转USB数据线20和第二DB9针转USB数据线；
所述电脑21通过第一DB9针转USB数据20与温度控制器19连接，所述电脑21通过第二DB9针转USB数据线与离子泵控制器18连接。
所述真空系统安装完毕如图2所示。随后，将离子泵控制器18与温度控制器19分别通过DB9针转USB数据线20连接电脑，如图1所示。当离子泵3与温度控制器19启动时，在电脑21上打开综合程序控制系统，所述综合程序控制系统程序执行流程图如图6所示，程序运行界面如图7所示，数据记录界面如图8所示。所述综合程序控制系统实时读取和记录了真空度和温度值，同时将采集到的数据进行处理并且绘制成波形图，使数据观测更直观、便捷。
本发明通过集成了一套高精度温度控制的超稳光学腔，提高了超稳光学腔在温度控制方面的精度，保证超稳光学腔的有效腔长，并且在温度控制模式上可实现制冷和制热模式，扩展了本发明的适用范围。本发明携带的综合程序控制系统可实现对实时真空度及温度的记录、显示和反馈，便于及时对超稳光学腔进行优化和调整。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种高精度温度控制的超稳光学腔，其特征在于，包括真空系统、温度控制系统和综合程序控制系统；
所述真空系统用于为高精度温度控制的超稳光学腔提供良好的真空环境；
所述温度控制系统用于提高高精度温度控制的超稳光学腔的可操控性和高精度，通过集成在真空腔内的多层温度控制和支撑结构，保持了超稳光学腔的温度恒定；
所述综合程序控制系统用于为高精度温度控制的超稳光学腔提供便捷的实时显示、记录和反馈功能，便于及时做出调整和优化；实时读取和记录真空度和温度值，同时将采集到的数据进行处理。
2.根据权利要求1所述的高精度温度控制的超稳光学腔，其特征在于，所述真空系统包括光学腔、光学腔底座和热辐射屏蔽室；
所述光学腔放置在光学腔底座上，由多个支撑小球支撑；
所述光学腔底座上设置有支撑孔，支撑小球放置在光学腔底座的支撑孔上，支撑孔的侧面开有通气孔，便于真空抽气；
所述光学腔的顶部中心同样开有通气孔，便于真空抽气；
所述热辐射屏蔽室内部设置有凹槽，光学腔与光学腔底座放置在热辐射屏蔽室内部的凹槽中。
3.根据权利要求2所述的高精度温度控制的超稳光学腔，其特征在于，所述热辐射屏蔽室的两端设置有精抛光的无氧铜做的盖子，通过上下左右四个螺丝固定。
4.根据权利要求2所述的高精度温度控制的超稳光学腔，其特征在于，所述真空系统还包括铝合金控温室，热辐射屏蔽室通过带螺纹的支撑顶丝固定于铝合金控温室内；
所述热辐射屏蔽室腔体上设置有多个小凹槽，是支撑顶丝的固定点；
所述支撑顶丝其中一端旋于铝合金控温室四周的螺纹孔内，另一端顶于热辐射屏蔽室表面的小凹槽上。
5.根据权利要求4所述的高精度温度控制的超稳光学腔，其特征在于，所述真空系统还包括定位环，定位环辅助定位热辐射屏蔽室至铝合金控温室的中心位置；所述定位环的内壁与热辐射屏蔽室的外壁贴合，外壁与铝合金控温室的内壁贴合，当定位环固定完毕后，将支撑顶丝旋紧，而后通过定位环两侧的螺孔上拧紧的螺丝将定位环拔出。
6.根据权利要求4所述的高精度温度控制的超稳光学腔，其特征在于，所述铝合金控温室的顶部中心安装有温度传感器；所述铝合金控温室的周围安装有半导体制冷片；
所述温度传感器和半导体制冷片与真空腔外的温度控制系统连接；
所述铝合金控温室与半导体制冷片之间夹有一块铟片，半导体制冷片与真空腔底座之间同样夹有一块铟片。
7.根据权利要求4所述的高精度温度控制的超稳光学腔，其特征在于，所述真空系统还包括真空腔底座，所述铝合金控温室设置于真空腔底座内。
8.根据权利要求7所述的高精度温度控制的超稳光学腔，其特征在于，所述铝合金控温室底面的4个角落分别开有4个小孔，用于通过螺丝与真空腔底座固定；螺丝与铝合金控温室之间夹有垫片；真空腔底座上设置有真空腔上盖。
9.根据权利要求7所述的高精度温度控制的超稳光学腔，其特征在于，所述真空系统还包括离子泵、离子泵控制器、角阀和特殊三通；
所述离子泵控制器与离子泵通过离子泵高压线连接；
所述特殊三通的A、B端开口口径为CF35；C端开口口径为CF16；
所述光学腔、光学腔底座、热辐射屏蔽室、铝合金控温室和真空腔底座组成真空系统的真空腔体；
所述特殊三通的A端开口与真空腔体连接，所述特殊三通的B端开口与离子泵连接，所述特殊三通的C端开口与角阀连接。
10.根据权利要求9所述的高精度温度控制的超稳光学腔，其特征在于，所述温度控制系统包括温度控制器和温度控制器连接线，所述温度控制器通过温度控制器连接线与真空腔体连接；
所述综合程序控制系统包括电脑、第一DB9针转USB数据线和第二DB9针转USB数据线；
所述电脑通过第一DB9针转USB数据与温度控制器连接，所述电脑通过第二DB9针转USB数据线与离子泵控制器连接；
所述电脑将采集到的数据进行处理并且绘制成波形图。
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