CN117833008A - 一种兆赫兹光学参考腔稳频装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及激光稳频系统技术领域，具体公开一种兆赫兹光学参考腔稳频装置，包括顶丝、控温室、腔体、镜片和支撑座；所述顶丝插入所述控温室内；所述支撑座配置在所述控温室内，所述腔体水平地配置在所述控温室内；所述支撑座上设置有支撑球，所述支撑球位于所述支撑座和腔体之间，所述支撑座通过所述支撑球支撑所述腔体；所述腔体上设置有支撑垫，所述支撑垫位于所述顶丝和腔体之间，所述顶丝顶住所述支撑垫，从而固定所述腔体；所述镜片设置在所述腔体的端部；该兆赫兹光学参考腔稳频装置结构简单紧凑，宽波长稳频，能够在稳定性的基础上实现多个波长范围的稳频，适用范围广。
Description
技术领域
本发明涉及光学参考腔技术领域，具体涉及一种兆赫兹光学参考腔稳频装置。
背景技术
激光器在原子光钟、精密计量和高分辨率光谱学等研究领域中往往要求具有窄线宽和频率稳定的特性。然而，自由运转的激光器受到温度和振动等因素的影响，导致频率随时间变化，输出激光的线宽无法满足应用需求。为了解决这个问题，稳频技术被应用来将激光器的频率锁定在高度稳定的参考标准上。
目前光学参考腔大多基于极窄(kHz)或极宽(GHz)的频率范围，但MHz范围鲜有人研究。实际上，兆赫兹范围的激光普遍应用于激光冷却和测量应用技术中，在激光稳频系统中采用结构简单的光学参考腔实现合适的线宽和频率稳定度将更具有应用价值。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种结构简单紧凑的兆赫兹光学参考腔稳频装置。
为解决上述问题，本发明采用如下技术方案：
一种兆赫兹光学参考腔稳频装置，包括：顶丝、控温室、腔体、镜片和支撑座。
所述顶丝插入所述控温室内。
所述支撑座配置在所述控温室内，所述腔体水平地配置在所述控温室内。
所述支撑座上设置有支撑球，所述支撑球位于所述支撑座和腔体之间，所述支撑座通过所述支撑球支撑所述腔体。
所述腔体上设置有支撑垫，所述支撑垫位于所述顶丝和腔体之间，所述顶丝顶住所述支撑垫，以固定所述腔体。
所述镜片设置在所述腔体的端部。
本公开至少一实施例提供的兆赫兹光学参考腔稳频装置中，所述支撑座上设置有与所述腔体相配对的第一定位槽，所述腔体局部穿过所述第一定位槽。
本公开至少一实施例提供的兆赫兹光学参考腔稳频装置中，所述控温室上设置有与所述支撑座相配对的第二定位槽，所述支撑座局部插入所述第二定位槽内。
本公开至少一实施例提供的兆赫兹光学参考腔稳频装置中，所述控温室上设置有气孔。
本公开至少一实施例提供的兆赫兹光学参考腔稳频装置中，所述腔体和镜片材质相同。
本公开至少一实施例提供的兆赫兹光学参考腔稳频装置中，所述顶丝为低导热顶丝。
本公开至少一实施例提供的兆赫兹光学参考腔稳频装置中，所述支撑垫为低硬度支撑垫，所述支撑球为低硬度支撑球。
所述腔体为低膨胀系数腔体，所述支撑座为低膨胀系数支撑座。
本公开至少一实施例提供的兆赫兹光学参考腔稳频装置中，所述镜片配置有两个，两个所述镜片分别固定在所述腔体的前面和后面上。
本发明的有益效果为：
装配流程简易。本发明由石英腔体、支撑座、支撑球、顶丝和支撑垫等组成，避免直接刚性连接，防止出现螺钉滑丝或拧紧力度难以把握等问题。
结构简单紧凑。无需热屏蔽室，采用热屏蔽室和控温室二合一的方法，在保证控温效果的前提下实现小型化。同时由于腔体和镜片均采用相同材料，热膨胀系数一致，无需额外加入补偿环，进一步节省空间。
稳定性良好。本发明无需利用螺钉等刚性连接的方式固定腔体与支撑座，装置的振动敏感度极低，搬运时腔体不易发生位移，从而使得光学参考腔在搬运后仍能迅速的投入使用，可满足各种应用场景的需求。
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为本发明一种兆赫兹光学参考腔稳频装置的整体结构示意图。
图2为本发明一种兆赫兹光学参考腔稳频装置的内部结构示意图。
图3为本发明一种兆赫兹光学参考腔稳频装置的部分部件连接示意图。
图4为本发明一种兆赫兹光学参考腔稳频装置的控温室的立体图。
图5为本发明一种兆赫兹光学参考腔稳频装置的支撑座的立体图。
图6为本发明的实验测试结果。
图中：
10、顶丝；
20、控温室； 21、第二定位槽； 22、气孔；
30、腔体； 31、支撑垫；
40、镜片；
50、支撑座；51、支撑球；52、第一定位槽。
具体实施方式
下面将结合实施例中的附图，对实施例中的技术方案进行清晰、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是一部分实施例，而不是全部的实施例。
实施例
如图1至5所示，一种兆赫兹光学参考腔稳频装置，包括顶丝10、控温室20、腔体30、镜片40和支撑座50。
顶丝10插入控温室20内。
示例性地，顶丝10上设置有外螺纹(未图示)，控温室20上设置有螺孔(未图示)，顶丝10控温室20采用螺纹连接的方式，连接便捷性好，结构稳定。
支撑座50配置在控温室20内，腔体30水平地配置在控温室20内。
支撑座50上设置有支撑球51，支撑球51位于支撑座50和腔体30之间，支撑座50通过支撑球51支撑腔体30。
腔体30上设置有支撑垫31，支撑垫31位于顶丝10和腔体30之间，顶丝10顶住支撑垫31，从而固定腔体30。
在本实施例中，支撑座50上设置有与腔体30相配对的第一定位槽52，腔体30局部穿过第一定位槽52，通过配置有第一定位槽52，能够提升支撑座50与腔体30的连接稳定性。
在本实施例中，控温室20上设置有与支撑座50相配对的第二定位槽21，支撑座50局部插入第二定位槽21内，支撑座50装配后具有良好的稳定性。
具体地，第二定位槽21配置有两个，两个第二定位槽21对称分布。
在本实施例中，为了保持真空，控温室20上设置有气孔22，气口22可以连接抽真空设备。
在本实施例中，镜片40设置在腔体30的端部，腔体30和镜片40材质相同。
进一步的，镜片40配置有两个，两个镜片40分别固定在腔体30的前面和后面上。镜片40采用低膨胀系数材料的镜片，采用NOA61紫外胶将镜片40与腔体30胶合。由于腔体30与镜片40为同一种材料，故无需额外加装补偿环补偿热膨胀系数。
顶丝为导热性不佳材料制成，如聚四氟乙烯。支撑垫和支撑球为硬度较低的材料制成，如氟橡胶、硅胶等。腔体、支撑座为低膨胀系数材料制成，如ULE和熔融石英等。控温室由可屏蔽辐射且导热性能良好的材料制成，如无氧铜。镜片以低膨胀系数为基片制成，如ULE、单晶硅和熔融石英等。
在本实施例中，顶丝材料为聚四氟乙烯，腔体材料为熔融石英，腔体镜片材料为熔融石英，控温室和支撑座材料为无氧铜，支撑球材料为氟橡胶。
具体地，本发明通过以下措施达到兆赫兹光学参考腔稳频：
(1)激光经过测试光路进入光学频率参考腔进行稳频，配合温控模块精准控温。
(2)腔的共振频率和温度变化之间关系式如下所示。熔融石英的热膨胀系数为5×10-7/K，对于5cm长的参考腔，自由光谱程为3GHz，若光学参考腔的共振频率需要调节一个自由光谱程，仅需调节温控对应改变熔融石英的参考腔温度15℃即可实现。
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的解释说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。
以实施的一种兆赫兹光学参考腔稳频装置作为基础，其中顶丝材料为聚四氟乙烯，腔体材料为熔融石英，腔体镜片材料为熔融石英，控温室和支撑座材料为无氧铜，支撑球材料为氟橡胶。
通过在光学参考腔结构上进行有限元仿真分析(Comsol Multiphysics 5.4)，可以得出在安装误差为1mm以内的情况下，振动敏感保证在1×10-10以内。
对激光频率进行扫描，利用数字示波器对腔的透射信号的采样数据进行存储，示波器采样点数正比于透射谱线频率间隔。腔的线宽可表示为：
其中，边带与载波峰值对应的频率间隔为20MHz，对应的时间间隔为t2，载波峰值半高度处两边对应的时间间隔为t1。
参考下列公式，根据线宽可以反推出反射率和精细度。
其中，FWHM为线宽，F为精细度，R为反射率，L为腔长，c为光速。
如图6所示，以795nm波长为例，系统实际测试方式包括以下步骤：
1.利用TOPICA DL 100L_2968(波长795nm)激光器扫频，扫描范围在参考腔的共振频率附近，保证能够扫描到腔的透射峰谱线。
2.利用信号发生器(RIGOL DSG815)对于透射峰谱线进行频率调制，设置调制值一般取10-20MHz，为了便于观测我们取为20MHz。
3.示波器储存腔的透射信号的采样数据，由于采样点数正比于透射谱线频率间隔，采样到的透射峰对应的点数差值对应其频率间隔。在同一标尺上比较，横坐标为时间间隔，t1和t2分别为载波峰值半高度处两边和边带与载波峰值对应的时间间隔。
4.通过公式计算载波峰值半高度处两边对应的频率间隔，即腔体线宽。
5.已知线宽FWHM，可以利用公式反推出反射率R。
6.已知反射率R，可以利用公式计算出精细度F。
系统实际测试参数与设定参数如下表所示，与预期符合。
| 参数 | 设定 | 实际测试 |
| 线宽(MHz) | 约1 | 1.1659 |
| 精细度 | 约3000 | 3592(795nm) |
| 反射率(％) | 99.9 | 99.9126 |
| 控温精度(mK) | 1 | 1 |
尽管上面已经示出和描述了本申请的实施例，但本发明的保护范围并不局限于此，任何不经过创造性劳动想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内；除非明确说明，否则本文中使用的任何元件、动作或指令都不应解释为关键或必要的。
Claims (8)
1.一种兆赫兹光学参考腔稳频装置，其特征在于，包括：顶丝、控温室、腔体、镜片和支撑座；
所述顶丝插入所述控温室内；
所述支撑座配置在所述控温室内，所述腔体水平地配置在所述控温室内；
所述支撑座上设置有支撑球，所述支撑球位于所述支撑座和腔体之间，所述支撑座通过所述支撑球支撑所述腔体；
所述腔体上设置有支撑垫，所述支撑垫位于所述顶丝和腔体之间，所述顶丝顶住所述支撑垫，以固定所述腔体；
所述镜片设置在所述腔体的端部。
2.根据权利要求1所述的一种兆赫兹光学参考腔稳频装置，其特征在于，所述支撑座上设置有与所述腔体相配对的第一定位槽，所述腔体局部穿过所述第一定位槽。
3.根据权利要求1所述的一种兆赫兹光学参考腔稳频装置，其特征在于，所述控温室上设置有与所述支撑座相配对的第二定位槽，所述支撑座局部插入所述第二定位槽内。
4.根据权利要求1所述的一种兆赫兹光学参考腔稳频装置，其特征在于，所述控温室上设置有气孔。
5.根据权利要求1所述的一种兆赫兹光学参考腔稳频装置，其特征在于，所述腔体和镜片材质相同。
6.根据权利要求1所述的一种兆赫兹光学参考腔稳频装置，其特征在于，所述顶丝为低导热顶丝。
7.根据权利要求6所述的一种兆赫兹光学参考腔稳频装置，其特征在于，所述支撑垫为低硬度支撑垫，所述支撑球为低硬度支撑球；
所述腔体为低膨胀系数腔体，所述支撑座为低膨胀系数支撑座。
8.根据权利要求7所述的一种兆赫兹光学参考腔稳频装置，其特征在于，所述镜片配置有两个，两个所述镜片分别固定在所述腔体的前面和后面上。
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