超低热噪声极限超稳法珀腔的热膨胀特性的研究

基于超稳法珀腔的超稳激光是实现许多高精密测量的关键技术基础，为了进一步提高超稳激光性能，目前国际上通用的做法是采取两种不同热膨胀系数材料组成复合法珀腔，来降低法珀腔的热噪声极限。在这新一代的超低热噪声极限超稳法珀腔的研究中，如何对其有效热膨胀系数进行调整，将复合腔的零热膨胀温度点调至室温左右的这一研究课题，是新一代超稳激光发展中的一个关键难题，也将会是今后几年的研究热点。本项目拟设计具有超低热噪声极限的复合超稳法珀腔，通过结构设计来补偿腔镜和腔体材料热膨胀系数不匹配问题，争取将法珀腔的有效零热膨胀系数点调至室温以上，以降低温度扰动对超稳腔频率稳定性的影响。根据设计结果，搭建一套基于超稳法珀腔的稳频激光系统，利用飞秒光梳，测量锁定后激光的频率漂移率，实现对所设计的法珀腔的有效热膨胀特性的实验检验。争取实现室温下锁定到超稳法珀腔的超稳激光频率漂移率小于0.1赫兹/秒。

基于超稳法珀腔的超稳激光是实现许多高精密测量的关键技术基础，为了进一步提高超稳激光性能，我们设计了具有1*10^(-16)量级的热噪声极限的30cm长复合超稳法珀腔，通过反嵌式的结构设计来补偿熔融石英腔镜和ULE腔体材料热膨胀系数不匹配问题，零膨温度点最大可以从-10摄氏度调整至23摄氏度。这样的调整范围，可以利用不同零膨胀温度的ULE腔体材料来制作法珀腔，最终的有效零热膨胀系数点均可调至室温以上，以降低温度扰动对超稳腔频率稳定性的影响。这一成果发表在Eur. Phys. J. D 67, 46 (2013)上。在实验过程中，按照我们设计制造的超稳腔报价为15万美元，过于昂贵，因此我们开展了超稳腔的自主制作。虽难度很大，但我们先期利用一个10cm腔来积累经验，完成了其自主加工，依次解决了平行度、对心和光胶等问题，目前正在开展30cm腔的自主制作。完成了30cm腔所需真空容器的设计。利用实验室已有的10cm长超稳腔，搭建了两套超稳激光系统，实现单台激光线宽0.6Hz，秒稳定度达到1*10^(-15)，达到该腔所对应的热噪声极限。将温度控制在超稳腔的零膨胀温度点时，利用飞秒光梳测量锁定后激光的频率漂移率为0.06Hz/s。目前我们正在整理实验结果，撰写文章。另外我们还实现了基于波长计的长期激光稳频和对螺旋共振腔共振频率和Q值的测量和计算，结果分别发表在Rev. Sci. Instrum. 84, 123109 (2013)和Rev. Sci. Instrum. 85, 104706 (2014)上。