本發(fā)明涉及光學(xué)參考腔領(lǐng)域，特別涉及一種多通道且可搬移的光學(xué)參考腔及超穩(wěn)光學(xué)參考腔系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
1、光鐘相比于微波鐘具有更高的頻率不確定度和穩(wěn)定度，因此將成為下一代的時間頻率標(biāo)準(zhǔn)，以在超高精密的基礎(chǔ)物理檢驗方面提供全新的探測方法。超穩(wěn)腔作為激光器的頻率鎖定參考，是制備超穩(wěn)激光的核心裝置，是當(dāng)前技術(shù)水平下制備光鐘所不可或缺的關(guān)鍵組件，超穩(wěn)腔的穩(wěn)定度直接決定了光鐘頻率的短期穩(wěn)定度。超穩(wěn)腔的核心器件為光學(xué)參考腔，其余組成部分主要包括配套光學(xué)參考腔設(shè)計的支撐隔振、溫控和真空等裝置。
2、光學(xué)參考腔的常規(guī)腔體材質(zhì)有兩種：在常溫下工作的超低熱膨脹率玻璃（ule），和低溫下工作的單晶硅。超穩(wěn)激光的穩(wěn)定度極限取決于光學(xué)參考腔的熱噪聲水平，工作溫度越低，其熱噪聲極限越低。目前已有報道的超穩(wěn)激光系統(tǒng)中，穩(wěn)定度指標(biāo)最高的激光就鎖定在工作溫度為124k的單晶硅光學(xué)參考腔上，其頻率穩(wěn)定度優(yōu)于每秒5e-17。ule光學(xué)參考腔已有較多研究成果，而新興的單晶硅光學(xué)參考腔的相關(guān)技術(shù)則正在逐步探索發(fā)展過程中。
3、為了保障超穩(wěn)激光的頻率穩(wěn)定度，超穩(wěn)腔必須具有很低的振動敏感度。而振動敏感度主要取決于光學(xué)參考腔的形狀和腔體支撐方式，但是已有報道的單晶硅超穩(wěn)腔體支撐設(shè)計只適用于實驗室內(nèi)使用，未考慮搬運需求。而近些年來，作為極高精度的時間頻率源，光鐘擁有廣泛的應(yīng)用場景，越來越多的工作需求光鐘在可搬運條件下使用，以期在廣域范圍內(nèi)實現(xiàn)光學(xué)參考腔在光鐘中的應(yīng)用。這就要求光學(xué)參考腔在具有低振動敏感度的同時兼容穩(wěn)固的支撐結(jié)構(gòu)，可以承受一定的振動而不移位不損壞。
4、為滿足這些要求，目前已有數(shù)種可搬運光學(xué)參考腔方案被提出，但是這些方案中腔體都基于ule材質(zhì)。單晶硅材質(zhì)盡管具有更優(yōu)秀的熱噪聲水平，但是，由于單晶硅材質(zhì)的各向異性特征，使得其相比玻璃腔，難以實現(xiàn)可搬運的需求。
技術(shù)實現(xiàn)思路
1、有鑒于此，本發(fā)明的提供了一種多通道且可搬運的光學(xué)參考腔及超穩(wěn)光學(xué)參考腔系統(tǒng)。
2、作為本發(fā)明的第一方面，提供了一種多通道且可搬運的光學(xué)參考腔，該光學(xué)參考腔包括由同一塊單晶硅材料制成的腔體和多對腔鏡：
3、所述腔體，呈圓柱結(jié)構(gòu)；所述腔體的軸向方向為單晶硅的[111]晶向；所述腔體沿徑向形成有多個均勻間隔通光孔，所述通光孔貫通所述腔體的徑向兩端，多個通光孔的軸線相交于所述腔體的軸線；
4、所述多對腔鏡，安裝于所述腔體上，且所述多對腔鏡與所述多個通光孔一一對應(yīng)，每對腔鏡相互平行，且沿與對應(yīng)的所述通光孔的軸線相正交的方向?qū)ΨQ設(shè)置于對應(yīng)的通光孔的軸向兩端，每對腔鏡之間形成一個激光傳輸?shù)耐ǖ溃?/p>
5、其中，所述腔體和所述多對腔鏡被配置為使所述光學(xué)參考腔具有中心對稱結(jié)構(gòu)，以保持所述光學(xué)參考腔的機械性能和熱性能的穩(wěn)定。
6、根據(jù)本發(fā)明的實施例，所述腔體的側(cè)面形成間隔排布的第一部和第二部，所述第一部在預(yù)設(shè)方向的投影為直線，所述第二部在預(yù)設(shè)方向的投影為弧線；所述預(yù)設(shè)方向為與所述腔體的底面相正交的方向，在部分第一部上形成有所述通光孔，每個第一部的安裝面上安裝有一個腔鏡。
7、根據(jù)本發(fā)明的實施例，所述第一部的數(shù)量和所述第二部的數(shù)量均為六個。
8、根據(jù)本發(fā)明的實施例，所述腔鏡通過光膠的方式安裝在腔體上。
9、根據(jù)本發(fā)明的實施例，所述腔體上還形成有通氣孔，所述通氣孔與所述腔體的軸線相同、且貫通所述腔體的軸向方向的兩端。
10、根據(jù)本發(fā)明的實施例，所述腔體的兩端分別被構(gòu)造成具有圓臺形結(jié)構(gòu)的連接部，所述連接部的軸線與所述腔體的軸線相重合。
11、根據(jù)本發(fā)明的實施例，所述連接部的圓臺形結(jié)構(gòu)的坡面沿周向均勻且間隔的設(shè)置有多個支撐點，其中一個支撐點在所述預(yù)設(shè)方向的投影位于單晶硅的[2-1-1]晶向。
12、根據(jù)本發(fā)明的實施例，所述腔鏡通過光膠的方式安裝在所述腔體上。
13、作為本發(fā)明的第二方面，還提供了一種超穩(wěn)光學(xué)參考腔系統(tǒng)，超穩(wěn)光學(xué)參考腔系統(tǒng)包括：
14、上述光學(xué)參考腔；以及支撐框架，套設(shè)于所述光學(xué)參考腔參考腔的外周，通過向所述支撐點施加壓力，以限制所述光學(xué)參考腔的位置。
15、根據(jù)本發(fā)明的實施例，所述支撐框架沿周向形成多個通孔，所述通孔適用于使外部激光信號穿過通孔、并自所述通光孔進入所述腔體內(nèi)。
16、根據(jù)本發(fā)明的實施例，光學(xué)參考腔的頻率穩(wěn)定度主要由熱噪聲水平和振動敏感度決定。熱噪聲水平主要由腔體、腔鏡和腔鏡上鍍的反射膜的原子分子布朗運動引起的，振動敏感度和腔體在加速度下的形變有關(guān)。
17、根據(jù)本發(fā)明的實施例，采用單晶硅材料制成的光學(xué)參考腔相對于ule光學(xué)參考腔能夠大幅降低熱噪聲水平，此外，由于腔體呈圓柱結(jié)構(gòu)，將腔體軸向設(shè)計為沿著單晶硅的[111]晶向，使腔體對任意方向的振動加速度均表現(xiàn)出低敏感性。
18、根據(jù)本發(fā)明的實施例，單晶硅的(111)晶面的彈性模量更高，抗形變能力更強，腔鏡設(shè)置為采用單晶硅的(111)晶面制成，同樣具有較低的熱噪聲水平，以及能夠減少振動引起的鏡面畸變，腔鏡和腔體為采用同一塊單晶硅材料加工，可降材料機械性能和熱性能偏差的影響，避免拼接應(yīng)力與性能失配，從而進一步降低了振動敏感度。
19、將可搬移參考腔設(shè)置為中心對稱結(jié)構(gòu)，能夠使腔體在受到外部振動時應(yīng)力分布更均勻，避免局部應(yīng)力集中從而導(dǎo)致腔體的形變。腔體的幾何對稱性使得腔長變化與振動加速度的一階關(guān)系自動抵消（即一階敏感度趨近于零）。
20、本發(fā)明實施例的單晶硅光學(xué)參考腔，同時具備低熱噪聲水平和較低的振動敏感度，成功實現(xiàn)了單晶硅光學(xué)參考腔的可搬運性，突破了傳統(tǒng)單晶硅腔體因各向異性特性而難以實際應(yīng)用的瓶頸。這一技術(shù)突破使得基于單晶硅的光學(xué)參考腔能夠?qū)嶋H應(yīng)用于光鐘系統(tǒng)，為提升光鐘的頻率穩(wěn)定度和測量精度提供了關(guān)鍵技術(shù)支持。
1.一種多通道且可搬運的光學(xué)參考腔，其特征在于，包括：由同一塊單晶硅材料制成的腔體和多對腔鏡；
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)參考腔，其特征在于，所述腔體的側(cè)面形成間隔排布的第一部和第二部，所述第一部在預(yù)設(shè)方向的投影為直線，所述第二部在預(yù)設(shè)方向的投影為弧線；所述預(yù)設(shè)方向為與所述腔體的底面相正交的方向，在部分第一部上形成有所述通光孔，每個第一部的安裝面上安裝有一個腔鏡。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的光學(xué)參考腔，其特征在于，所述第一部的數(shù)量和所述第二部的數(shù)量均為六個。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)參考腔，其特征在于，根據(jù)本發(fā)明的實施例，所述腔鏡通過光膠的方式安裝在腔體上。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)參考腔，其特征在于，所述腔體上還形成有通氣孔，所述通氣孔與所述腔體的軸線相同、且貫通所述腔體的軸向方向的兩端。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的光學(xué)參考腔，其特征在于，所述腔體的兩端分別被構(gòu)造成具有圓臺形結(jié)構(gòu)的連接部，所述連接部的軸線與所述腔體的軸線相重合。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的光學(xué)參考腔，其特征在于，所述連接部的圓臺形結(jié)構(gòu)的坡面沿周向均勻且間隔的設(shè)置有多個支撐點，其中一個支撐點在所述預(yù)設(shè)方向的投影位于單晶硅的[2-1-1]晶向。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)參考腔，其特征在于，所述腔鏡通過光膠的方式安裝在所述腔體上。
9.一種超穩(wěn)光學(xué)參考腔系統(tǒng)，其特征在于，包括：
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的超穩(wěn)光學(xué)參考腔系統(tǒng)，其特征在于，所述支撐框架沿周向形成多個通孔，所述通孔適用于使外部激光信號穿過通孔、并自所述通光孔進入所述腔體內(nèi)。