CN114740581A - 一种光学参考腔零膨胀温度点调节装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光学参考腔零膨胀温度点的调节装置，涉及光学参考腔领域，所述装置包括：腔体、第一内环、第一腔镜、第一外环、第二内环、第二腔镜和第二外环；腔体具有沿轴向的通光孔；腔体的通光孔的一端沿轴向由内到外依次设置第一内环、第一腔镜和第一外环；腔体的通光孔的另一端沿轴向由内到外依次设置第二内环、第二腔镜和第二外环。本发明能大范围调节学参考腔的零膨胀温度点，使光学参考腔的零膨胀温度点能调节到室温，从而避免腔镜发生较大的形变。

Description

一种光学参考腔零膨胀温度点调节装置

技术领域

本发明涉及光学参考腔领域，特别是涉及一种光学参考腔零膨胀温度点的调节装置。

背景技术

超窄线宽激光又称为超稳激光，是相干性最好的激光。超窄线宽激光作为一种精密测量的工具，在科学研究和工程应用领域中有着重要的应用。如超精密激光光谱、基本物理量测量、光学原子钟、引力波探测等。通常，通过Pound-Drever-Hall(PDH)稳频技术将激光频率锁定在光学参考腔的谐振频率上来获得超窄线宽激光。光学参考腔的腔长作为频率参考标准，其稳定度是激光频率稳定度的重要因素。

光学参考腔由腔体10和采用光胶的方式粘贴在腔体沿通光孔两端的两个高反射率的腔镜(第一腔镜30、第二腔镜60)组成，腔体10上开设通光孔80和通气孔90，如图1所示。由于热胀冷缩效应，光学参考腔的腔长会随温度发生变化，导致锁定后激光性能指标的恶化。为了减小光学参考腔的温度敏感度，通常选择美国康宁公司的超低膨胀系数(Ultra-lowExpansion，ULE)玻璃作为腔体材料，并且采用精密温控措施将光学参考腔的温度控制在其零温度膨胀点。腔镜的材料为ULE或者熔融石英(FS)。与ULE相比，FS具有非常低的机械损耗，有助于进一步降低光学参考腔的热噪声极限。但是FS的热膨胀系数远大于ULE，如果选用ULE腔体和FS腔镜的组合，温度变化时，由于两种材料的热膨胀系数相差较大，会大大降低整个光学参考腔的零膨胀温度点，同时会产生比较大的应力，导致腔镜发生较大的形变。2010年，Thomas Legero等采用在FS腔镜的背面再粘一个ULE材料的圆环来减小腔镜的形变以及实现零温度膨胀点的调节，使得这种设计的光学参考腔得到广泛应用，如图2所示，在第一腔镜30的背面粘第一外环20，在第二腔镜60的背面粘第二外环50。

尽管上述设计能够实现提高光学参考腔零膨胀温度点，但其调节范围不足。对于大直径以及零膨胀温度点较低的ULE腔体，难以将光学参考腔的零膨胀温度点调节到室温附近，不利于对光学参考腔精密温控的实施。

发明内容

基于此，本发明实施例提供一种光学参考腔零膨胀温度点的调节装置，能大范围调节学参考腔的零膨胀温度点，使光学参考腔的零膨胀温度点能调节到室温附近，便于对光学参考腔精密温控的实施，从而降低光学参考腔对温度的敏感性。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种光学参考腔零膨胀温度点的调节装置，包括：腔体、第一内环、第一腔镜、第一外环、第二内环、第二腔镜和第二外环；

所述腔体具有沿轴向的通光孔；所述腔体的通光孔的一端沿轴向由内到外依次设置所述第一内环、所述第一腔镜和所述第一外环；所述腔体的通光孔的另一端沿轴向由内到外依次设置所述第二内环、所述第二腔镜和所述第二外环。

可选地，所述第一内环的内径、所述第二内环的内径、所述第一外环的内径、所述第二外环的内径均与所述通光孔的直径相等；所述第一腔镜的直径和所述第二腔镜的直径均大于所述通光孔的直径。

可选地，所述第一内环的外径大于或等于所述第一腔镜的直径；所述第二内环的外径大于或等于所述第二腔镜的直径。

可选地，所述光学参考腔零膨胀温度点的调节装置，还包括：第一透射膜、第一反射膜、第二透射膜和第二反射膜；

所述第一腔镜设置所述第一外环的一侧镀有所述第一透射膜；所述第一腔镜设置所述第一内环的一侧镀有所述第一反射膜；

所述第二腔镜设置所述第二外环的一侧镀有所述第二透射膜；所述第二腔镜设置所述第二内环的一侧镀有所述第二反射膜。

可选地，所述腔体、所述第一内环、所述第二内环、所述第一外环和所述第二外环的材质相同。

可选地，所述腔体、所述第一内环、所述第二内环、所述第一外环和所述第二外环的材质均为超低膨胀系数玻璃。

可选地，所述第一腔镜和所述第二腔镜的材质均为熔融石英。

可选地，所述腔体的通光孔的一端采用光胶的方式粘贴所述第一内环；所述第一内环的另一侧采用光胶的方式粘贴镀有所述第一反射膜的所述第一腔镜；镀有所述第一透射膜的所述第一腔镜的另一侧采用光胶的方式粘贴所述第一外环；

所述腔体的通光孔的另一端采用光胶的方式粘贴所述第二内环；所述第二内环的另一侧采用光胶的方式粘贴镀有所述第二反射膜的所述第二腔镜；镀有所述第二透射膜的所述第二腔镜的另一侧采用光胶的方式粘贴所述第二外环。

可选地，所述腔体具有沿径向的通气孔。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明实施例提出了一种光学参考腔零膨胀温度点的调节装置，通过在腔镜与腔体之间设置内环，减小腔镜和腔体接触部分的面积，从而减小腔镜和腔体贴合面的牵引力以导致的应变，实现大范围调节学参考腔的零膨胀温度点，使光学参考腔的零膨胀温度点能调节到室温附近，便于对光学参考腔精密温控的实施，从而降低光学参考腔对温度的敏感性，从而避免腔镜发生较大的形变。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有的光学参考腔的结构图；

图2为带ULE外环的光学参考腔的结构图；

图3为本发明实施例提供的光学参考腔零膨胀温度点的调节装置的结构图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，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。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本实施例的光学参考腔零膨胀温度点的调节装置的设计思路如下：

在现有技术的带ULE外环的腔镜和ULE腔体的光胶面上再加上一个ULE内环，以减小FS腔镜和ULE腔体接触部分面积，从而减小FS腔镜和ULE腔体贴合面的牵引力以导致的应变。通过调节新加的ULE内环的外径和厚度，从而按照设计需求实现光学参考腔零膨胀温度点的大范围调节。

参见图3，本实施例的光学参考腔零膨胀温度点的调节装置，包括：腔体10、第一内环40、第一腔镜30、第一外环20、第二内环70、第二腔镜60和第二外环50。

所述腔体10具有沿轴向的通光孔；所述腔体10的通光孔的一端沿轴向由内到外依次设置所述第一内环40、所述第一腔镜30和所述第一外环20；所述腔体10的通光孔的另一端沿轴向由内到外依次设置所述第二内环70、所述第二腔镜60和所述第二外环50。

在一个示例中，所述腔体10一般为圆柱体；所述第一内环40的内径、所述第二内环70的内径、所述第一外环20的内径、所述第二外环70的内径均与所述通光孔的直径相等；所述第一腔镜30的直径和所述第二腔镜60的直径均大于所述通光孔的直径。

所述第一内环40的外径大于或等于所述第一腔镜30的直径；所述第二内环70的外径大于或等于所述第二腔镜60的直径。

在一个示例中，所述光学参考腔零膨胀温度点的调节装置，还包括：第一透射膜31、第一反射膜32、第二透射膜33和第二反射膜34。

所述第一腔镜30设置所述第一外环20的一侧镀有所述第一透射膜31；所述第一腔镜30设置所述第一内环40的一侧镀有所述第一反射膜32。

所述第二腔镜60设置所述第二外环50的一侧镀有所述第二透射膜33；所述第二腔镜60设置所述第二内环70的一侧镀有所述第二反射膜34。

在一个示例中，所述腔体10、所述第一内环40、所述第二内环70、所述第一外环20和所述第二外环50的材质相同。具体的，所述腔体10、所述第一内环40、所述第二内环70、所述第一外环20和所述第二外环50的材质可以为超低膨胀系数(ULE)玻璃。

在一个示例中，所述第一腔镜30和所述第二腔镜60的材质可以为熔融石英(FS)。

在一个示例中，所述腔体10的通光孔的一端采用光胶的方式粘贴所述第一内环40；所述第一内环40的另一侧采用光胶的方式粘贴镀有所述第一反射膜的32的所述第一腔镜30；镀有所述第一透射膜31的所述第一腔镜30的另一侧采用光胶的方式粘贴所述第一外环20。

所述腔体10的通光孔的另一端采用光胶的方式粘贴所述第二内环70；所述第二内环70的另一侧采用光胶的方式粘贴镀有所述第二反射膜34的所述第二腔镜60；所述第二腔镜60的另一侧采用光胶的方式粘贴镀有所述第二透射膜33的所述第二外环50。在实际应用中，第一透射膜31和第一反射膜32(微米量级的厚度)是和第一腔镜30一体的；第二透射膜33和第二反射膜34(微米量级的厚度)是和第二腔镜70一体的。第一透射膜31的镀膜直径小于第一内环40的内径，第一透射膜32的镀膜直径小于第一内环40的内径；第二透射膜33的镀膜直径小于第二内环40的内径，第二透射膜34的镀膜直径小于第二内环40的内径，即光胶的地方是没有膜的，以便于更好的光胶。

在一个示例中，所述腔体10具有沿径向的通气孔。

下面对上述实施例的光学参考腔零膨胀温度点的调节装置的一种制作方式和其实现原理进行说明。

在制作腔体10的ULE材料上取一部分(保证腔体10和环的零膨胀温度点相同)，分别加工成第一外环20、第二外环50、第一内环40和第二内环70；通常情况下第一外环20的外径与第一腔镜30的直径相等，内径与通光孔直径相等，第二外环50的外径与第二腔镜60的直径相等，内径与通光孔直径相等，以保证外形美观和便于光胶。第一内环40的外径大于或等于第一腔镜30的直径，内径等于通光孔直径；第二内环70的外径大于或等于第二腔镜60的直径，内径等于通光孔直径。将第一腔镜30的透射面与第一外环20光胶在一起，将第一腔镜30的反射面与第一内环40光胶在一起后，再通过光胶方式粘接在腔体10的一个圆柱面的中心；将第二腔镜60的透射面与第二外环50光胶在一起，将第二腔镜60的反射面与第二内环70光胶在一起后，再通过光胶方式粘接在腔体10的一个圆柱面的中心。这样的设计，保证了第一腔镜30和第二腔镜60的两侧是热力性能基本一致的ULE材料，利用了第一腔镜30和第二腔镜60两侧牵引力的对称性。当温度变化时，第一腔镜30两侧的第一内环40和第一外环20对第一腔镜30产生几乎相同的径向牵引效应，两个接触面的应力导致的第一腔镜30的应变相互抵消；第二腔镜60两侧的第二内环70和第二外环50对第二腔镜60产生几乎相同的径向牵引效应，两个接触面的应力导致的第二腔镜60的应变相互抵消。通过调节第一内环40、第二内环70的外径大小和厚度，可以改变腔镜和腔体10接触部分的面积和ULE材料在整个光学参考腔中的占比，调节腔镜和腔体10由于热膨胀系数不匹配导致的应力和形变，从而有效调节整个光学参考腔的热膨胀系数，实现对光学参考腔零膨胀温度点的大范围调节。相比只有ULE外环的情况，能更大范围提高光学参考腔的零膨胀温度点，从而设计出满足实际控温温度的光学参考腔。

在实际应用中，上述实施例的光学参考腔零膨胀温度点的调节装置的一个具体设计方式如下：

仍请参见图3，该装置包括材料为ULE的圆柱形腔体、依次设置于圆柱形腔体一端沿通光孔轴线上的第一外环20、第一腔镜30、第一内环40、依次设置于圆柱形腔体另一端沿通光孔轴线上的第一外环20、第一腔镜30、第一内环40。

圆柱形腔体的零膨胀温度点为30℃，其尺寸为圆柱直径150mm，长度为200mm，通光孔直径为10mm，通气孔直径为10mm。

第一外环20、第二外环50的零膨胀温度点与圆柱形腔体的零膨胀温度点相同，均为30℃，第一外环20、第二外环50的外径为25.4mm，内径为10mm，厚度为6mm。

第一腔镜30和第二腔镜60的直径为25.4mm，厚度为6.3mm。第一透射面镀有透射率大于99.99％第一透射膜，第一反射面镀有反射率大于99.999％的第一反射膜。第二透射面镀有透射率大于99.99％的第二透射膜，第二反射面镀有反射率大于99.999％的第二反射膜。在实际应用中，第一透射面镀有对波长1550nm的激光的透射率大于99.99％第一透射膜，第一反射面镀有对波长1550nm的激光的反射率大于99.999％的第一反射膜。第二透射面镀有对波长1550nm的激光的透射率大于99.99％的第二透射膜，第二反射面镀有对波长1550nm的激光的反射率大于99.999％的第二反射膜。

第一内环40、第二内环70的零膨胀温度点与圆柱形腔体的零膨胀温度点相同，均为30℃；第一内环40、第二内环70的外径为25.4mm，内径为10mm，厚度为6mm。

将第一外环20与第一腔镜30的第一透射面光胶在一起，第一内环40与第一腔镜30的第一反射面光胶在一起，然后将整体通过光胶的方式粘接在圆柱形腔体的一个圆柱面的中央；将第二外环50与第二腔镜60的第二透射面光胶在一起，第二内环70与第二腔镜60的第二反射面光胶在一起，然后将整体通过光胶的方式粘接在圆柱形腔体的另一个圆柱面的中央。

通过仿真分析，在不使用外环和内环的情况下，腔镜和腔体组成的光学参考腔的零膨胀温度点约4℃；单个外环的方式，光学参考腔的零膨胀温度点约18℃；而使用本实施例的双环(外环和内环)的方式，可以将光学参考腔的零膨胀温度点调节到约26℃，与腔体的零膨胀温度点接近。

本实施例的光学参考腔零膨胀温度点的调节装置，具有以下优点：

通过简单的设计，实现了光学参考腔零膨胀温度点的大范围调节，可以简单地通过改变所加内环的厚度和外径大小，调节合适实验需求的参考腔零膨胀温度点。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的装置及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (9)

1.一种光学参考腔零膨胀温度点的调节装置，其特征在于，包括：腔体、第一内环、第一腔镜、第一外环、第二内环、第二腔镜和第二外环；

所述腔体具有沿轴向的通光孔；所述腔体的通光孔的一端沿轴向由内到外依次设置所述第一内环、所述第一腔镜和所述第一外环；所述腔体的通光孔的另一端沿轴向由内到外依次设置所述第二内环、所述第二腔镜和所述第二外环。

2.根据权利要求1所述的一种光学参考腔零膨胀温度点的调节装置，其特征在于，所述第一内环的内径、所述第二内环的内径、所述第一外环的内径、所述第二外环的内径均与所述通光孔的直径相等；所述第一腔镜的直径和所述第二腔镜的直径均大于所述通光孔的直径。

3.根据权利要求2所述的一种光学参考腔零膨胀温度点的调节装置，其特征在于，所述第一内环的外径大于或等于所述第一腔镜的直径；所述第二内环的外径大于或等于所述第二腔镜的直径。

4.根据权利要求1所述的一种光学参考腔零膨胀温度点的调节装置，其特征在于，还包括：第一透射膜、第一反射膜、第二透射膜和第二反射膜；

所述第一腔镜设置所述第一外环的一侧镀有所述第一透射膜；所述第一腔镜设置所述第一内环的一侧镀有所述第一反射膜；

所述第二腔镜设置所述第二外环的一侧镀有所述第二透射膜；所述第二腔镜设置所述第二内环的一侧镀有所述第二反射膜。

5.根据权利要求1所述的一种光学参考腔零膨胀温度点的调节装置，其特征在于，所述腔体、所述第一内环、所述第二内环、所述第一外环和所述第二外径的材质相同。

6.根据权利要求5所述的一种光学参考腔零膨胀温度点的调节装置，其特征在于，所述腔体、所述第一内环、所述第二内环、所述第一外环和所述第二外环的材质均为超低膨胀系数玻璃。

7.根据权利要求1所述的一种光学参考腔零膨胀温度点的调节装置，其特征在于，所述第一腔镜和所述第二腔镜的材质均为熔融石英。

8.根据权利要求4所述的一种光学参考腔零膨胀温度点的调节装置，其特征在于，所述腔体的通光孔的一端采用光胶的方式粘贴所述第一内环；所述第一内环的另一侧采用光胶的方式粘贴镀有所述第一反射膜的所述第一腔镜；镀有所述第一透射膜的所述第一腔镜的另一侧采用光胶的方式粘贴所述第一外环；

所述腔体的通光孔的另一端采用光胶的方式粘贴所述第二内环；所述第二内环的另一侧采用光胶的方式粘贴镀有所述第二反射膜的所述第二腔镜；镀有所述第二透射膜的所述第二腔镜的另一侧采用光胶的方式粘贴所述第二外环。

9.根据权利要求1所述的一种光学参考腔零膨胀温度点的调节装置，其特征在于，所述腔体具有沿径向的通气孔。

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