一种空间应用暨可搬运超稳光学参考腔

摘要

本发明公开了一种空间应用暨可搬运超稳光学参考腔，包括类球体以及用以固定类球体的圆环，在所述类球体上设置有通过类球体中心的通光孔，在通光孔的两端设置有光学镜片，所述光学镜片以超低膨胀材料为基片材料制成，所述类球体上还设置有真空排气孔和固定孔；所述超低膨胀材料为ULE、单晶硅、陶瓷、微晶玻璃或熔融石英。本发明是以球体和圆环相结合的方式来设计空间应用暨可搬运超稳光学参考腔。如背景技术所述，其可以很好的保护球体空间结构力学的完整性，这样不仅可以获得三维方向上较好的振动敏感度，又可以满足航天振动冲击的苛刻条件，而且整体装配调节简单。

说明书

技术领域

本发明属于超稳光学参考腔领域，涉及一种超稳光学参考腔结构， 尤其是一种空间应用暨可搬运超稳光学参考腔。

背景技术

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。超稳光学参考腔作为光钟研究计 划中极其关键的部件，起到了不可替代的作用。光钟研究计划中某些关 键性指标与超稳光学参考腔有效腔长的稳定性密切相关。但目前影响光 学参考腔腔长变化的振动却难以抑制和消除，已成为其性能进一步提高 的主要限制因素之一。

目前，世界上多个相关研究小组针对空间应用暨可搬运超稳光学参 考腔进行研制。例如法国巴黎天文台2012研发的空间应用暨可搬运超稳 光学参考腔，其结构特征是圆柱体和支撑圆环，利用位移上下相消的原 理进行设计。实验表明在竖直方向上(即光轴方向)的振动敏感度较好， 但在其它两个方向上的振动敏感度较差。主要原因是空间应用的超稳光 学参考腔要求三维抗振，但圆柱体加支撑圆环的方式只能够保证在竖直 方向(即光轴方向)上有较好的振动敏感度，对于其它方向显得较差。

如果只考虑外力引起的超稳光学参考腔的腔长变化，球体作为水平 超稳光学参考腔的腔体，在光轴所在平面沿球体直径方向两点挤压超稳 光学参考腔，使得超稳光学参考腔在水平面任意方向具有旋转对称性结 构。只要合理设计，球体就可以弥补上述圆柱体的缺陷，从而可大大降 低超稳光学参考腔三维方向上的加速度振动敏感性。

美国国家标准技术研究所2012年和2013年分别探索性研发了一种 可搬运超稳光学参考腔，采用的是在球体的直径方向上两点支撑球的方 式，在三维方向上振动敏感度取得了较好的指标。但该超稳光学参考腔 存在两点缺陷：一，在支撑球形腔体时需要附加挤压球体的压力，不仅 破坏了球体原本的结构力学的完美对称性，而且挤压的力度调节难以掌 握，装配复杂；二，空间三维方向复杂的振动环境和苛刻条件，该超稳 光学参考腔采用的是两点一维方向支撑方式，难以克服空间复杂震动环 境。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种空间应用暨 可搬运超稳光学参考腔。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

这种空间应用暨可搬运超稳光学参考腔，包括类球体以及用以固定 类球体的圆环，在所述类球体上设置有通过类球体中心的通光孔，在通 光孔的两端设置有光学镜片，所述光学镜片以超低膨胀材料为基片材料 制成，所述类球体上还设置有真空排气孔和固定孔；所述超低膨胀材料 为ULE、单晶硅、陶瓷、微晶玻璃或熔融石英。

上述圆环固定套设在类球体的外壁上，圆环的水平面与类球体的光 轴方向成正交方向关系。

上述圆环与类球体为一体化结构。

上述类球体上开设有多个真空排气孔，每个真空排气孔穿过类球体 的中心。

上述类球体为超低膨胀材料制成，所述超低膨胀材料为ULE、单晶 硅、陶瓷、微晶玻璃或熔融石英。

本发明具有以下有益效果：

本发明是以球体和圆环相结合的方式来设计空间应用暨可搬运超 稳光学参考腔。如背景技术所述，其可以很好的保护球体空间结构力学 的完整性，这样不仅可以获得三维方向上较好的振动敏感度，又可以满 足航天振动冲击的苛刻条件，而且整体装配调节简单。本发明设计的超 稳光学参考腔可以应用于光学原子钟、超窄线宽激光器、光学干涉仪、 引力波探测等高科技领域。

附图说明

图1为本发明的超稳光学参考腔结构示意图；

图2为本发明的圆环结构示意图；

图3为图1的A-A剖视图；

图4为图1的B-B剖视图。

其中：1为类球体；2为圆环；3为光学镜片；4为真空排气孔；5 为通光孔；6为固定孔。

具体实施方式

参见图1-4，本发明的空间应用暨可搬运超稳光学参考腔包括类球 体1以及用以固定类球体1的圆环2，在所述类球体1上设置有通过类 球体1中心的通光孔5，在通光孔5的两端设置有光学镜片3，所述光学 镜片3以超低膨胀材料为基片材料制成，所述类球体1上还设置有真空 排气孔4和固定孔6；所述超低膨胀材料为ULE、单晶硅、陶瓷、微晶 玻璃或熔融石英。所述圆环2固定套设在类球体1的外壁上，圆环1的 水平面与类球体1的光轴方向成正交方向关系。所述圆环2与类球体1 为一体化结构。所述类球体1上开设有多个真空排气孔4，每个真空排 气孔4穿过类球体1的中心。所述类球体1为超低膨胀材料制成，所述 超低膨胀材料为ULE、单晶硅、陶瓷、微晶玻璃或熔融石英。

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

图1超稳光学参考腔结构示意图。Φ_环为圆环的直径，Φ_球为球体的 直径，Φ_光为通光孔的直径，Φ_定为圆环上固定用孔的直径。

首先选择球体的尺寸，应当根据热噪声指标的要求选择球体直径的 大小；根据振动敏感度指标要求、空间的约束和抗击振动强度的要求， 选择圆环的尺寸，包括其厚度、直径、固定孔的大小、固定孔的个数； 圆环相对于球体在竖直方向上(即光轴方向)的位置为：球体的中心平 面上下微小浮动，具体尺寸根据振动敏感度的要求来决定；真空孔的位 置和尺寸以及它的个数，真空孔相关尺寸和数据是由真空度的指标要求 和振动敏感度要求的；最后是通光孔的直径，其主要是根据光学谐振腔 理论、激光光斑的大小、镜片镀膜区大小以及整个腔体强度决定的。

总之，该空间应用暨可搬运超稳光学参考腔腔体是根据振动敏感度、 热噪声、抗击振动冲击、光学谐振腔理论等技术指标要求和理论设计的， 采用超低膨胀材料(如ULE、单晶硅、陶瓷、微晶玻璃、熔融石英等) 一体化加工制造；镜片采用标准的FS或ULE镜片光胶于腔体上下两个 平面之上(注：如果采用标准FS镜片，还需在该镜片的后侧加装ULE 环，具体尺寸根据热膨胀原理来设计)。本发明旨在解决目前国内乃至世 界上空间应用暨可搬运超稳光学参考腔面临的技术难题(如三维方向上 振动敏感度要求都高、抗击振动冲击要求更高、热噪声更低、空间狭小、 重量要求苛刻和调节简单等)。

1、球体的尺寸和材料。限制超稳光学参考腔性能一个基本问题就是 布朗热噪声，而布朗热噪声的大小和超稳光学参考腔的腔长成反比关系， 所以我们首先应当根据热噪声指标的要求选择球体直径的大小。球体的 材料选择超低膨胀材料(如ULE、单晶硅、陶瓷、微晶玻璃、熔融石英 等)。

2、圆环的尺寸和材料。根据空间振动敏感度指标要求、空间的约束 和抗击振动强度的要求，采用有限元分析方法，以三维方向上振动敏感 度要求为目标，选择圆环的尺寸，包括其厚度、直径、固定孔的大小、 固定孔的个数(固定孔沿着圆环面周向上是均布的，其数量是3的倍数 关系，具体个数根据振动敏感度要求和抗击振动冲击的要求决定)；圆 环和球体采用的是一体化设计制造，采用的也是超低膨胀材料(如ULE、 单晶硅、陶瓷、微晶玻璃、熔融石英等)。

3、圆环相对于球体在竖直方向上(即光轴方向)的位置。本位置直 接由超稳光学参考腔的振动敏感度的指标要求决定。一般情况下，其位 于球体的中心平面上下微小浮动，具体尺寸根据振动敏感度的要求、腔 体的材料和力学属性和分析计算来决定。

4、真空孔的位置和尺寸以及它的个数。如图1所示，真空孔位于圆 环上，其直径由真空度指标要求决定，其中心位于圆环厚度的中心，在 圆环平面上来看，均布在两个相邻固定孔之间角度的一般位置，真空孔 的个数是由真空度的指标要求、振动敏感度要求和固定孔个数决定的(为 3的倍数)，例如固定孔为6，为了保证球体力学对称性，固定孔需要6 个(或者3个)。

5、通光孔的直径。其主要是根据光学谐振腔理论、激光光斑的大小、 镜片镀膜区大小以及整个腔体强度决定的。其不能小于镜片镀膜区的直 径和激光光斑直径，但不能过大，过大将直接影响整个腔体的强度和光 学谐振腔的光学属性。

本发明的特征相对于当前空间应用暨可搬运超稳光学参考腔其主 要有以下4点优势：

(1)可以很好的保护球体空间结构力学的完整性。①相对于当前 球形空间应用暨可搬运超稳光学参考腔的两点一维方向支撑方式，圆环 支撑可以分散和减弱外加支撑力对于球体的集中力，并且外加的支撑力 通过圆环后是均匀施加到球体上；②真空排气孔均匀布置在圆环上保证 了力学对称性；③球体除去镜片粘结处的平面，没有其它针对球体结构 的完整性破坏。

(2)三维方向上可以获得较好的振动敏感度。相对于当前圆柱形 空间应用暨可搬运超稳光学参考腔，本结构具有的球形可以很好的发挥 球形结构的力学对称性，获得三维方向上的较好振动敏感度。

(3)很好满足航天振动冲击的苛刻条件。当前球形空间应用暨可 搬运超稳光学参考腔是采用两点一维方向支撑方式，使用挤压力沿直径 方向上挤压球体获得球体的稳定，面对较大的空间中的振动环境条件， 很难满足振动苛刻条件。

(4)整体装配调节简单。当前球形空间应用暨可搬运超稳光学参 考腔的两点一维方向支撑方式，需要沿直径方向上的对称挤压力，挤压 力和振动敏感度密切相关，装配调节困难。而本结构无需挤压力，只需 使用螺钉对称固定圆环即可，装配相对简单而易于实现。

总之，本发明可以克服上述空间应用暨可搬运超稳光学参考腔国内外 面临的技术缺陷。其主要表现在不仅可以获得三维方向上较好的振动敏 感度，很好满足航天振动冲击的苛刻条件，而且整体装配调节简单。