[发明专利]抗振型光学参考腔振动敏感度分析及设计参考腔的方法

说明书

本发明公开了抗振型光学参考腔振动敏感度分析及设计参考腔的方法，以第一主加速度方向为一维坐标轴，坐标数值大的支撑物进行三维固定约束，坐标数值小的支撑物施加挤压力，计算第一参考腔腔长形变量；建立与第一参考腔模型完全相同的第二参考腔模型，只改变主加速度载荷值，其他设置均不变，重复以上步骤进行仿真计算，计算第二参考腔腔长形变量；最后，计算拟分析的参考腔的振动敏感度，根据上述计算步骤，计算各个参数化变量下的振动敏感度，选出参考腔最佳的设计参数，本发明能准确的反应参考腔的实际受力情况，充分考虑了各个参数化变量的情况，具备最佳的设计参数。

技术领域

本发明属于超稳光学参考腔技术领域，具体属于抗振型光学参考腔振动敏感度分析及设计参考腔的方法。

背景技术

具有极高频率稳定度的窄线宽激光器作为高精密测量的一种手段，在基本物理常数测量、引力波探测、测地学、原子光钟等科学与技术领域有着广泛的应用。实现窄线宽激光器的方法主要有两种，一种是利用原子或分子能级跃迁谱线的稳定性，如饱和吸收谱等，将激光频率锁定在跃迁谱线中心频率上，达到激光稳频的目的，该方法得到的激光频率稳定度约为10^-13量级；另一种是基于光学参考腔的Pound-Drever-Hall(PDH)稳频技术，该方法将相位调制光谱技术与光外差探测技术结合，把激光频率精密锁定在光学参考腔的共振频率上，具有鉴频信号强、中心频率处斜率大、控制范围宽等特点，广泛用于超稳激光的产生。使用PDH稳频技术进行激光稳频时，是将激光频率锁定在参考腔的共振频率上，该共振频率的稳定性取决于参考腔的长度稳定性，因此参考腔的长度稳定性决定了稳频激光的频率稳定性。而振动导致的参考腔长度稳定性变化已经成为限制超稳激光性能进一步提升的关键因素之一。因此计算参考腔振动敏感度成为了研制超稳激光的关键一环。

目前大多数超稳激光都是仅工作在实验室环境中，参考腔的一般固定方式是将参考腔放置三个或者四个支撑面上，在重力约束下，使其保持平衡状态。2006年Chen等人首次提出利用有限元分析软件通过数值模拟的方法分析计算参考腔的振动敏感度(2006,PHYSICAL REVIEW A,74,053801,)。随后世界各研究小组均采用数值模拟的方法分析参考腔的振动敏感度，从而优化设计参考腔结构及支撑位置。具体操作方法是：第一，建立参考腔的几何模型，主要包括参考腔腔体、反射镜(由于反射镜表面镀膜很薄，一般不需要单独对镀膜层建模)；第二，选取参考腔的支撑面，并对所有支撑面进行三维固定设置，同时增加外部载荷——主加速度；第三，对模型进行网格划分；第四，运行有限元分析软件，计算参考腔形变；第五，以两反射镜内表面中心位置的距离表示参考腔长度，仿真前后该距离沿光轴方向的变化量ΔL与参考腔原长度L的比值ΔL/L，即为该参考腔的振动敏感度，单位为g^-1，g为主加速度。

随着航天技术的发展，美国、欧盟、日本等世界发达国家和组织争相开展在太空领域的光钟研究计划，以争取获得时间频率的制高点，达到导航、卫星、国防更高精度的应用，抗振型超稳激光越来越受到各研究小组的青睐，其中抗振型超稳光学参考腔成为该研究领域的热点。2011年Webster等人提出了一种基于立方腔体四点对称挤压支撑的光学参考腔(2011,Opt.Lett.36,3572)，如图1所示，该立方体参考腔八个顶角均沿体对角线进行切割，切割成八个正三角形面，对其中构成正四面体的四个顶角面使用特氟龙半球进行支撑，由于该参考腔进行了三维约束，具有较好的抗振效果，作者使用有限元分析软件分析了四个顶面挤压力对参考腔长度变化的影响，并从实验上测得该参考腔最大的振动敏感度为2.5×10^-11/g，该振动敏感度为已知参考腔中振动敏感度最低的参考腔。2018年华东师范大学研究了类似100mm边长的立方体参考腔，并且在8个顶角面的正三角形平面中心挖圆锥孔，类似的于其中四个圆锥孔进行固定支撑，在进行振动敏感度的有限元分析时，作者将四个支撑锥面进行三维固定设置，并施加主加速度，仿真分析腔长的变化。