适于空间应用的超稳定高精细度光学腔研究

Ultra-stable lasers for space applications are the tools required for the high precision experiments carried out in space, e.g. Space optical clock and the TianQin projects. Ultra-stable lasers are generated by stabilizing their frequencies to the resonances of ultra-stable optical cavities. Therefore, ultra-stable optical cavities are the kernels of ultra-stable lasers. When an ultra-stable cavity is used in space, it will face the challenge of the high acceleration vibration during rocket launching process, large circumstance temperature change, and high-energy particle irradiation in space, etc..The purpose of this proposal is to research the problems an ultra-stable cavity will face when it is used in space, and give some solutions. Our research includes: design and build an ultra-stable cavity, which will be very robust and has low vibration sensitivity. Design the temperature controlling system for the cavity, which can stabilize the temperature of the cavity to the circumstance temperature ±30°C with a temperature stability of 1mK. We expect the cavity meet the following requirements, 1. it holds 10g’s acceleration and vibration during the rocket launching process, 2. the vibration sensitivity of the cavity is less than 5E-10/g, 3. When a laser is frequency stabilized to the cavity, its frequency instability is less than 1E-15. Influence of the high-energy particle irradiation to the linewidth, coefficient of thermal expansion, drifting rate of the cavity will also be researched.

适于空间应用的频率超稳定激光是在空间中进行精密物理实验，比如空间光钟、天琴计划等项目，不可缺少的工具。频率超稳定激光是通过将激光频率锁定到超稳定光学腔产生的。因而超稳腔是频率超稳定激光的核心。超稳腔在太空应用时将面临火箭发射冲击、在太空时大幅度温度变化、高能粒子辐射等挑战。.本项目的目标是研究超稳腔在太空应用时将面临的这些问题，并给出初步解决方案：包括设计并制作出能承受火箭发射冲击、且振动敏感度低的超稳定光学腔。并设计出在环温±30°C的范围内可控，并且温度稳定性达到1mK的水平的光学腔温控系统。预期制作出的光学腔可以达到如下指标：1.振动敏感度接近或优于5E-10/g，2.能承受10g的火箭发射时的冲击和振动，3.在实验室中激光锁定到该腔上时频率不稳定度小于1E-15。并对其做高能粒子辐射测试，研究超稳定光学腔在高能粒子的辐射下的线宽、热膨胀系数、漂移率等性质变化。

随着光钟技术的成熟和地面引力波的成功探测，近年来，空间光钟和空间引力波探测项目被提上日程。这些空间的精密探测项目都依赖于空间超稳定激光。由于超稳定激光是由将激光的频率锁定到超稳定高精细度光学腔（超稳腔）上产生，超稳腔是超稳定激光的核心部件。本项目研究将超稳腔应用于空间项目时需要面临的各种问题，包括研制出具有低振动敏感度且能承受火箭发射时的振动超稳腔；采用该超稳腔研制出稳定度优于1E-15的超稳定激光；并研究超稳腔的控温和辐射耐受性。本项目研制出两种符合申请书要求的超稳腔，他们的最大振动敏感度分别为2.5E-10/g和4.7E-10/g，并且都可以在三个正交方向上承受10g的正弦振动，满足申请书的指标，达到火箭发射的要求。采用其中一个超稳腔，我们研制出稳定度达到4.2E-16的超稳定激光，接近该超稳腔的热噪声极限；通过真空室内外两级控温，实现光学腔工作温度在-10℃到65℃范围内可控，确保光学腔可以工作在热膨胀温度过零点。通过真空室对电子和质子辐射屏蔽的模拟研究，得出空间电子辐射对光学腔的影响可以忽略，质子辐射只有能量超过65 MeV才能到达光学腔。通过对光学腔进行能量为90 MeV质子辐射的耐受性研究，我们得出如下质子辐射对光学腔影响的结论：a）20年的空间累计质子辐射对精细度为40万的光学腔镜镀膜的影响可以忽略；b）对膨胀过零点温度的影响为-0.022℃每1E9/cm2的质子注量，或者对于俘获质子约-0.033 ℃每年；c）光学腔变短2E-10每1E9/cm2的质子注量，或者对于俘获质子约3E-10每年（1E-17/s），远小于ULE玻璃由于老化引起的腔长变化。本项目对适于空间应用的超稳腔作了较为全面的研究，研制出了适于空间应用的超稳腔原理样机，并且对空间质子辐射对光学腔的影响做了较为全面的实验研究。该工作对未来超稳定激光在空间的应用有很高的参考价值。