环境温度变化不敏感的光学腔热屏蔽层设计

超窄线宽稳频激光具有频率分辨率高、相干性好的特点,是光钟、引力波探测、深空导航和光学频率合成器等研究不可替代的光源。通过将激光的频率高精度地锁定在光学参考腔上,可实现线宽小于1 Hz、频率不稳定度优于10-15的激光。降低光学参考腔对环境温度起伏的敏感度,对利用低温实现更高频率稳定度的激光以及提高激光长期频率稳定度至关重要。

华东师范大学蒋燕义研究员课题组采用等效多级RC积分电路来计算光学腔的温度对外界环境温度变化的时间响应特性。在光学腔的热屏蔽层的质量不变、温控层和光学腔的体积和质量不变时,计算分析热屏蔽层与光学腔的距离、热屏蔽层层数及屏蔽层的厚度对光学腔对外界温度变化的响应时间以及灵敏度的影响,并得到最优化的光学腔的热屏蔽层设计,改善锁定于该光学参考腔的激光的频率稳定度和低频噪声。


1 双层热屏蔽层的光学腔系统切面图和它的等效多级RC积分电路图。从外到内依次为:真空室(Vacuum),外热屏蔽层(Shield1),内热屏蔽层(Shield2)以及光学腔(Cavity)。


2 光学腔的温度敏感度图

图2为光学腔的温度敏感度随外界环境温度振荡周期的变化情况,通过增加参考腔的响应时间和热屏蔽层的层数,可大大降低参考对外界快速温度变化的敏感度。

全文链接:

李雪艳,蒋燕义,姚远,毕志毅,马龙. 环境温度变化不敏感的光学腔热屏蔽层设计[J].光学学报,2018,38(7):0714002.