空间超稳光学参考腔环境适应性关键问题研究

In order to explore space strategic resources, space high-precision time-frequency technology is highly valued by developed countries. The ultra-stable laser with the highest frequency stability is an important part of space time-frequency system. However, the mechanical and thermal environment of spacecraft in launch and on orbit and the resource conditions in space are extremely harsh, which is a major challenge for the space application of ultrastable lasers. This project is aimed at exploratory scientific research on the environmental adaptability of space ultra-stable optical reference cavity, which is the core of space ultrastable laser. The response law of cavities to impact is studied, and the optimum design method of vibration sensitivity of anti-impact cavities in microgravity environment is explored. A multi-dimensional temperature control scheme based on decoupling design is proposed. The optimum design between temperature control and resource cost is explored. That will improve the space environment adaptability of the cavities from three aspects: impact, micro-vibration and heat. Based on the research of this project, we can enhance the understanding of the shock response characteristics of the reference cavity, clarify the influence mechanism of micro-vibration on the cavity length in microgravity environment, and reveal the temperature control law with good temperature control effect and low resource cost. The research results can lay a theoretical and experimental foundation for the development of ultrastable laser adapted to the environment of space station, and basically solve the problem about the space adaptability. It will promote the development of high precision time-frequency technology, which has important scientific significance and engineering application value.

为探索空间战略资源，空间高精度时频技术受到发达国家高度重视。其中超稳激光具有最高的频率稳定度，是空间时频系统重要组成。然而，空间飞行器在发射及在轨运行中的力热环境及资源条件极为苛刻，是超稳激光在空间应用的重大挑战。本项目针对空间超稳激光的核心——空间超稳光学参考腔的环境适应性展开探索性科学研究。研究参考腔对冲击的响应规律，探究微重力环境中抗冲击参考腔的振动敏感度优化设计方法，提出一种基于解耦设计的多维度温度控制方案，探究温度控制与资源代价间最优化设计，从冲击、微振动和热学三个方面提升参考腔的空间环境适应性。通过本项目研究，增强对参考腔冲击响应特性的认识，阐明微重力环境中微振动对参考腔的影响机理，揭示温控效果与资源代价间的依存规律，为研制适应空间站环境的空间超稳激光奠定理论与实验基础，基本解决空间超稳激光的空间适应性问题，为空间高精度时频技术发展奠定理论与技术基础。

空间高精度时频技术越来越受到发达国家高度重视，其中超稳激光具有极高的频率稳定度，是空间时频系统重要组成。超稳光学参考腔作为超稳激光的核心组件，决定了激光的频率稳定度，同时也是系统中最易受到环境噪声干扰的组件之一，特别是面向空间应用的空间超稳光学参考腔。本项目针对空间超稳光学参考腔的环境适应性展开了抗冲击特性、振动敏感度及精密温度控制等三个方面的科学研究，并取得了一系列研究成果：（1）建立了空间超稳光学参考腔冲击问题分析模型，获取了一种以立方体光学参考腔为核心的既满足支撑强度同时能够轻量化的参考腔支撑结构设计方法，在此设计方法之上研制了一套空间超稳光学参考腔，并构成空间超窄线宽激光器随梦天舱发射成功，实现了在轨的工作运行；（2）基于弹性力学基本理论研究了立方体光学参考腔在外力作用下的腔长变化机理，并推导出腔长变化与外部挤压力、腔体切割深度等的近似理论关系，并使用有限元仿真工具详细研究了参考腔支撑预紧力、支撑物尺寸、腔体顶角切割深度等对参考腔长度稳定性的影响，得到了空间微振动环境下光学参考腔振动敏感度优化设计方法，基于该方法优化设计了一套空间超稳光学参考腔，实测振动敏感度进入10-11/g量级；（3）使用有限元仿真方法研究了参考腔系统热响应规律，设计了空间超稳光学参考腔的被动隔热系统，该空间超稳光学参考腔系统的热响应时间常数约为72.2小时，对于周期为1.5小时、幅度为10mK的环境温度变化，参考腔的温度敏感度为2.8×10-6，设计了一套三路独立的单向加热主动温度控制系统，将温度抖动控制在mK量级，使用该系统实现的激光长期频率漂移率仅为0.07Hz/s。基于该项目的研究，掌握了面向空间环境应用的空间超稳光学参考腔的设计方法，并在此基础上研制了空间窄线宽激光器，已随梦天舱发射成功，并在中国空间站工作运行良好，将为空间高精度时频技术发展奠定理论与技术基础。