抗振光学参考腔优化设计关键问题研究

Optical reference cavity as the core of narrow linewidth laser, its anti-vibration performance is the main factor affecting the laser frequency stability. In recent years, the finite element analysis (FEA) is the main method of optimizing the design of optical reference cavity in that it can effectively simulate the deformation of reference cavity. To further optimize the optical reference cavity and then provide a theoretical basis for anti-vibration optimization of transportable reference cavity, we focus on the reliability and accuracy of FEA model and its application in the anti-vibration design of space sphere reference cavity to further understand the deformation characteristics of the reference cavity and lay the foundation for the narrow linewidth laser application of the space environment. The main content includes: element quality is firstly used to solve the calculation reliability of vibration sensitivity of the reference cavity; complex multi-body contact model is established to analyze vibration sensitivity affected by friction characteristics, which considers complex contact relations between the reference cavity and support points; the orthotropic model is adopted to simulate inhomogeneity of reference cavity material; the more accurate model of complex multi-body contact is applied for anti-vibration optimization of space sphere reference cavity. The outcome of this project will provide a way to improve the accuracy of the calculation of vibration sensitivity and optimize the design, meanwhile, it is an important role to improve the optical clock frequency stability and applied for other related fields.

光学参考腔作为窄线宽激光的核心部件，其抗振性能是激光频率稳定性的主要影响因素。近年来，采用有限元分析方法（FEA）可以有效模拟参考腔微量形变，是优化设计参考腔的主要方法。为进一步优化参考腔，进而为可移动参考腔抗振优化提供理论基础，本项目重点研究FEA模型的可靠性和准确性及其在空间球形参考腔抗振设计中的应用，提高对参考腔形变特性认识，为窄线宽激光在空间环境应用奠定基础。研究内容主要包括：首次采用单元质量评估解决参考腔振动敏感度计算可靠性问题；综合考虑实际中参考腔和支撑点间接触关系，建立复杂多体接触模型，分析光学参考腔和支撑点间摩擦特性对振动敏感度影响；率先采用正交各向异性模型分析参考腔材料不均匀性对于振动敏感度影响；采用更加准确的复杂接触模型对空间应用球形参考腔进行抗振优化。本项目成果将为进一步提高计算光学参考腔振动敏感度精确性和优化设计提供方法，为提高光钟频率稳定度和其它相关应用提供支撑。

本项目以窄线宽激光器光学参考腔为研究对象，以有限元分析和实验验证两种手段展开三个方面的研究。开展了数值计算光学参考腔振动敏感度可靠性的系统化研究，即在极其微量形变的要求下，综合考虑影响计算振动敏感度精确性的多种因素，研究其内部规律，提供评判计算振动敏感度结果可靠性的依据。深入探索实际应用中的光学参考腔和支撑面之间的非线性接触关系，建立复杂接触模型，分析研究摩擦特性对光学参考腔振动敏感度的影响。深入研究复杂接触模型在空间应用球形光学参考腔抗振优化设计中的应用，研究三维抗振可移动光学参考腔的最佳支撑方式。为未来高性能窄线宽激光器及空间光钟的研制提供理论和技术支撑。完成了项目研究内容，突破了关键技术。.以本项目的理论和技术为基础，设计和研制出了我国第一个空间应用球形光学参考腔，全面掌握了超稳光学参考腔加工所涉及的超精密光学加工、超高反射率镀膜、无胶光学键合等关键核心技术。测试结果表明，该球形超稳光学参考腔的精细度约为200,000，腔反射率达到0.9999914，腔损耗小于5ppm，相关指标与国外同类产品技术水平相当，基本满足我国空间站科学应用的迫切急需。.在国内首次实现基于自主技术研制的光学参考腔和小型化光学系统698nm窄线宽激光器系统闭环锁定和评估。将基于自主技术研制的参考腔和小型化光学系统应用于窄线宽激光器系统构建，并采用部分基于自主技术研制的小型电子学单元，实现该系统的闭环锁定。在此基础上，和基于小型化光学系统的窄线宽激光器系统进行拍频比对测量，结果表明，单台窄线宽激光器系统1秒频率稳定度为2.0×10-15，单台系统的激光线宽为1.3Hz。.发表SCI论文7篇，EI论文6篇，其中会议EI论文1篇；授权发明专利1项，申请发明专利2项，申请软件著作权1项；国际重要学术会议上发表报告4篇；联合培养博士研究生1名，硕士研究生3名。