高精細度光學參考腔的自主化研制?

劉軍 陳帛雄 許冠軍 崔曉旭 白波 張林波 陳龍 焦東東 王濤 劉濤? 董瑞芳 張首剛

1)(中國科學院大學,北京100049)2)(中國科學院國家授時中心,時間頻率基準實驗室,西安710600)3)(中航工業(yè)西安飛行自動控制研究所,西安710065)

高精細度光學參考腔的自主化研制?

劉軍1)2)陳帛雄3)許冠軍2)崔曉旭3)白波3)張林波2)陳龍2)焦東東2)王濤3)劉濤2)?董瑞芳2)張首剛2)

1)(中國科學院大學,北京100049)2)(中國科學院國家授時中心,時間頻率基準實驗室,西安710600)3)(中航工業(yè)西安飛行自動控制研究所,西安710065)

(2016年9月29日收到;2017年1月18日收到修改稿)

高精細度超穩(wěn)光學參考腔是獲得超窄線寬激光的核心部件.本文報道了面向空間應用的高精細度球形超穩(wěn)光學參考腔自主化研制及其初步測試結果.設計球形腔體直徑為80 mm,腔長78 mm,采用平-凹腔鏡結構,凹鏡曲率半徑為0.5m.使用有限元方法計算了該參考腔的震動敏感度,最佳支撐位置的震動敏感度小于1×10?10/g.采用超光滑表面三級拋光技術實現(xiàn)光學表面粗糙度小于0.4 nm(rMs)的超精密加工,采用雙離子束濺射法實現(xiàn)工作波長反射率大于99.999%、損耗小于4 ppm腔鏡鍍膜,干式光膠方法鍵合腔體和腔鏡.利用掃腔線寬法和腔衰蕩法對參考腔的線寬和精細度進行了測量,結果表明該參考腔的精細度約為195000,線寬為9.8 kHz.將698 nm半導體激光器鎖定到該參考腔上測得其損耗<5 ppm.與實驗室進口同類型參考腔相比較,主要性能指標與其相當.

超穩(wěn)腔,超低膨脹系數(shù),精細度,光鐘

1 引言

近年來,基于超低膨脹系數(shù)(ultra-low expansion,ULE)材料的高精細度(通常大于100000)光學超穩(wěn)參考腔[1?6]技術取得了巨大進展,它是利用Pound-Drever-Hall(PDH)技術[7]獲得超穩(wěn)激光的核心部件.超穩(wěn)激光具有極高的光譜純度、優(yōu)良的時空相干性及短期頻率穩(wěn)定度等特性,因此超穩(wěn)光學參考腔在光鐘[8?10]、低噪聲微波信號產(chǎn)生[11,12]、引力波探測[13,14]和光學頻率傳遞[15]等領域具有極重要的應用價值.目前世界上最先進的基于超穩(wěn)光學參考腔穩(wěn)頻的激光系統(tǒng)的線寬已達幾十MHz水平,而頻率短期穩(wěn)定度已達到10?16/s[4,5,16,17].基于超穩(wěn)腔的激光穩(wěn)頻,激光頻率穩(wěn)定度δv/v=?δL/L受限于參考腔的腔長穩(wěn)定度,式中v為腔內激光場的共振頻率,L為腔長,δL和δv分別為機械震動、熱、聲音等外部環(huán)境及腔鏡布朗噪聲[18?25]引起的腔長變化量和對應的腔共振頻率的變化量.實際應用中的超穩(wěn)腔體通常采用震動不敏感支撐結構設計[21,23,24],并對其施以隔震和隔聲等措施后,其腔長變化主要來自熱膨脹,因此通常采用超低熱膨脹系數(shù)材料,如ULE、單晶硅[16]等作為腔體材料.具有優(yōu)良的光學、熱學和機械特性的材料是研制超穩(wěn)光學參考腔的物質基礎,現(xiàn)代超精密光學加工制造及光學加工檢測手段和鍍膜技術推動了超穩(wěn)腔相關研究及應用領域的發(fā)展.

超穩(wěn)光學參考腔的加工制造涉及多方面的技術難題,主要體現(xiàn)在如下幾個方面:1)光學平面及光膠平面的高平整度(表面質量達到10-5)、超低粗糙度(<1 nm)[26]和高面形控制[27]光學加工;2)腔鏡基片超高反射率(通常>99.99%)[28]、超低損耗(通常<10 ppm(1 ppm=1/1000000))[29]、單層膜厚度高精度控制的多層鍍膜;3)腔體和腔鏡等超穩(wěn)腔光學部件之間高強度無膠光學鍵合技術[30].

目前世界上僅有Stab le Laser SysteMs&Advanced Thin Films公司掌握超穩(wěn)光學參考腔生產(chǎn)制造的全部關鍵技術,國內開展相關研究的高校和科研單位所需超穩(wěn)參考腔全部依賴進口,特殊應用的超穩(wěn)參考腔隨時可能對華禁售.因此,面對我國未來空間時頻科學工程的戰(zhàn)略需求及潛在的軍需和民用,自主研制超穩(wěn)光學參考腔技術具有重要的意義.本文設計研制的超穩(wěn)腔面向空間應用,鑒于空間震動環(huán)境的復雜性,要求腔體三維抗震性能要好,因此腔體設計為中心對稱的球體結構.第二部分討論球形超穩(wěn)參考腔的結構設計和震動敏感度有限元法分析(finite element analysis,FEA),計算表明該參考腔最佳支撐位置的震動敏感度小于1×10?10/g(g為重力加速度).第三部分討論參考腔的加工制造,并且給出相關測試結果.最后采用掃腔線寬法[31]和腔衰蕩法(ring-down)[32]對該超穩(wěn)光學參考腔的精細度和線寬進行了測量和分析,測得其精細度約為200000,線寬為9.8 kHz;將698 nm半導體激光器(Top tica DL 100)鎖定到該參考腔上測量其損耗小于5 ppm.與實驗室進口同類型參考腔相比較,主要性能指標與其相當.

2 球形超穩(wěn)參考腔設計

本文報道的超穩(wěn)腔是針對我國未來空間時頻科學工程[33]的潛在應用而設計和研制的,工作中心波長為698.4 nm.在空間微重力運行環(huán)境下,要求腔體安裝固定牢固、并對作用在其上任何方向的作用力不敏感,重力方向上腔體必須保持在固定的位置,因此必須要約束腔體所有自由度,使其對支撐力不敏感,并且需要考慮來自任何方向的慣性力對腔體震動敏感度所產(chǎn)生的影響[1,34],對此我們采用球體結構設計.按照空間應用的需求,空間超窄線寬激光器的頻率穩(wěn)定度預期要求為10?16/s量級[35],考慮到系統(tǒng)在空間工作的震動環(huán)境比在地面上惡劣,參照文獻[4,7,36]中的熱噪聲理論計算公式,計算該超穩(wěn)腔的熱噪聲理論極限為4.6×10?16.據(jù)此,在圖1中,設計球形腔體直徑為80 mm,腔長為78 mm.腔體選用ULE材料,腔鏡基底選用熔石英(FS),采用平-凹反射鏡結構,凹鏡曲率半徑為0.5m,具體設計參數(shù)如圖1中所示.為了減小腔鏡由于溫度變化導致的軸向彎曲,腔鏡背面光膠比FS的熱膨脹系數(shù)更小的ULE環(huán)[37].

圖1 超穩(wěn)腔設計圖(a)主視圖;(b)側視圖;(c)俯視圖;(d)三維視圖Fig.1.Design of the u ltra-stab le cavity:(a)Main view;(b)side view;(c)top view;(d)three diMensions view.

圖2 (網(wǎng)刊彩色)有限元分析球形參考腔力學約束震動敏感特性(a)不同大小夾持力作用于腔體的震動敏感度曲線;(b)一維和三維約束條件下腔體震動敏感曲線Fig.2.(color on line)TheMechanical vib ration sensitivity of spherical reference cavity is calcu lated by finite eleMent analysis:(a)V ib ration sensitivity curves by diff erent sizes bear-squeezing force acting on the cavity;(b)vib ration sensitivity curves of cavity under the condition of one d iMension and th ree diMensions constraints.

機械震動是導致腔長變化的主要因素之一.使用FEA軟件分析計算了該腔體在大小不同的徑向支撐夾持力作用下和一維及三維約束條件下的震動敏感度.球形參考腔的機械支撐軸與光軸共面,定義兩軸夾角為“支撐角”,記為θ.圖2(a)中,有限元分析結果表明,在兩對大小分別為10和100 N的夾持力作用下,震動對夾持作用力大小(6 100 N)不敏感,施加夾持作用力的調節(jié)冗余度較大,當θ=53?時震動敏感度曲線經(jīng)過零點;如圖2(b),分別對腔體施加豎直方向一維和三維約束,當支撐角40?<θ<75?時,震動對約束方式也不敏感,在50?附近震動敏感度曲線經(jīng)過零點.計算結果表明,該腔最佳支撐點位置(θ=53?)的震動敏感度小于1×10?10/g.

3 球形超穩(wěn)參考腔制造

超穩(wěn)光學參考腔的加工制造主要分為三個工藝環(huán)節(jié):1)腔體、腔鏡基片和ULE環(huán)等部件的光學加工;2)腔鏡鍍膜;3)腔體與腔鏡及ULE環(huán)之間的光學膠合.上述的光學加工和腔鏡鍍膜及光膠裝配完全依靠自主技術研制完成,主要加工制造流程如圖3所示,下面分別加以介紹.

圖3 超穩(wěn)參考腔加工制造流程圖Fig.3.Flow chart of the u ltra-stab le reference cavity Manu factu re.

3.1 參考腔光學加工

球形超穩(wěn)參考腔光學加工的核心是對腔體兩光膠面的高平整度、表面超低粗糙度、光膠面對光軸的高垂直度、球形輪廓加工和腔鏡基片表面高平整度、超低表面粗糙度、高面形控制及面間超高平行度加工.如圖4,首先采用五軸數(shù)控中心多軸聯(lián)動球面成型加工技術,將ULE棒料加工成外形尺寸為S?80 mm的球形輪廓,使用光學三坐標測量儀測量球面輪廓度優(yōu)于0.02;使用光膠耦合模具三級拋光技術,實現(xiàn)光膠面高精度平面拋光加工,利用Zygo白光干涉儀對腔體兩個光膠端面的面形進行測量,分別達到NQ6 0.4,NP6 0.2;利用光學影像測量儀測量兩個光膠面間夾角和光膠面與光軸間的夾角,兩光膠端面鍥角<10′′,腔體光膠端面與光軸的垂直度誤差<30′′.使用DI原子力顯微鏡(atoMic forceMicroscope,AFM)分別測量其表面粗糙度(rms)<0.5 nm,該AFM的分辨率為0.1 nm.

圖4 自主研制球形超穩(wěn)參考腔加工(a)正在機床上加工的ULE棒料;(b)球形腔體在機床上夾持的輔助結構制備;(c)光學加工完畢的球形腔體部分Fig.4.Self-reliance developed spherical u ltra-stab le reference cavity is Machined op tically:(a)ULE bar in the Machine tool;(b)the p reparation of the auxiliary structu re of spherical cavity in theMachine tool for p rocessing;(c)the spherical cavity is finished by op ticalMachining.

將FS基材加工成?12.7 mm反射鏡基片.采用超高光學表面質量三級拋光技術對每個反射鏡基片的兩個表面進行超精密拋光,如圖5(a),使用AFM測量腔凹面反射鏡基片表面粗糙度為Rq=0.14 nm(rMs).使用Zygo白光干涉儀測試反射鏡基片面形N<0.4,其中平面反射鏡基片兩個面之間楔角為5′′.對兩個ULE環(huán)的光膠表面進行同樣的超精密光學拋光作業(yè),其表面特性的測量結果與反射鏡基片的相關測量結果相當.

3.2 腔鏡基片鍍膜

反射鏡基片采用雙面鍍膜,工作面鍍制超高反射率薄膜,基片背面鍍制增透膜,鍍膜采用離子束濺射沉積鍍膜技術(IBS)[38,39].按照超穩(wěn)腔對工作波長的反射率需求,設計工作波長超高反射率薄膜的膜系結構為(H L)20L,其中H代表高折射率材料Ta2O5,L代表低折射率材料SiO2,膜層總數(shù)為41.

本文中,首先采用化學清洗、超聲波清洗和氮氣氛圍干燥相結合的辦法對腔鏡基片進行清潔.采用雙離子束濺射沉積工藝對?12.7 mMFS腔鏡基片鍍膜.主離子束源為VEECO16 cm射頻源,輔助源為VEECO12 cm射頻源,主離子束轟擊靶材,濺射沉積到基底上形成薄膜,輔助離子束對基底的表面進行預清潔和修整,保證鍍膜表面的清潔.鍍膜過程中采用Power-time方法[40]控制膜層的厚度,控制精度達到0.2%.IBS技術成膜內應力較大,并且鍍膜過程中由于濺射原子質量差導致存在擇優(yōu)濺射現(xiàn)象[41],因此鍍膜結束后須在氧氣氛圍的高溫環(huán)境中對其進行退火處理,目的在于提高膜層物質的化學計量比和釋放鍍膜過程中在膜內形成的內應力,從而減小膜層的吸收損耗.退火后薄膜內部更加緊致、均勻,降低了薄膜材料的機械損耗角[42],從而提高了膜層的熱穩(wěn)定性,這對減小最終超穩(wěn)腔的熱噪聲極限是有意義的.退火后的薄膜具有更佳的光學特性,退火溫度為650?C.測量表明,高折射率Ta2O5薄膜厚度為1.66μm,低折射率SiO2薄膜厚度為2.48μm,超高反射率薄膜總厚度為4.14μm,該膜層厚度與上述對參考腔熱噪聲極限要求的理論結果是一致的.Zygo白光干涉儀測量鍍膜后反射鏡面形N′<0.2,AFM測量薄膜表面的粗糙度Rc=0.25 nm(rMs).薄膜表面的粗糙度比基片表面的粗糙度高,這是由于濺射原子的不均勻沉積形成的.對比圖5(a)和圖5(b)可以觀察到膜層表面的光滑度較基片差一些.離子束濺射鍍膜工藝過程中的核心控制量是沉積速率和薄膜厚度的精確控制,前者關乎膜層質量優(yōu)劣,后者對膜系的光學特性有顯著的影響[43,44].

將自主研制的腔鏡插入一對已知標定反射率>99.999%、損耗<1 ppm的標準凹面腔鏡構成的Fabry-Perot腔,采用連續(xù)光ringdown光譜法對薄膜的反射率和損耗進行測試,中心波長為698 nm的具體測試方法見本文第4部分的論述.測量反射率時光束入射角度分別為0?和45?,如圖5(c),曲線上平坦部分表示薄膜對該波段的入射光呈現(xiàn)高反射率特性,45?入射時,反射中心波長較0?入射時向長波方向產(chǎn)生平移.測量結果表明,0?入射時反射率R>99.999%.圖5(d)表明,與進口腔鏡鍍膜相比較,反射率曲線平坦部分更低,代表反射率更高,工作帶寬比進口腔鏡在短波方向拓展50 nm以上,薄膜損耗6 4 ppm.采用光熱共路徑干涉法(photothermal common-path interferometry)[45]測量薄膜的吸收損耗6 2 ppm,該測量值高于Precision Photonics公司1070 nm薄膜的測試結果[46],這個差別來自基片表面和鍍膜工藝的缺陷.使用Cary5000分光光度計測試增透膜透過率T>99.95%.

圖5 自主研制超穩(wěn)參考腔反射鏡基片表面和鍍膜表面粗糙度測量及腔鏡反射特性測量(a)腔鏡基片表面粗糙度AFM圖;(b)腔鏡鍍膜表面粗糙度AFM圖;(c)分光光度計測量自主研制腔鏡反射光譜特性曲線(綠色方形點線代表0?入射,紅色圓形點線代表45?入射);(d)0?入射時,分光光度計測量自主研制(在線:綠色方形點線)和進口(在線:紅色圓形點線)腔鏡的反射光譜特性曲線Fig.5.MeasureMents of the surface roughness for the Mirror substrates and its coatings,and the refl ection characteristics of the cavity Mirrors developed independently:(a)AFMMap of the surface roughness of the cavity Mirror substrate;(b)AFMMap of the coating surface roughness of the cavity Mirror;(c)spectrophotoMetric MeasureMents for the refl ection spectra characteristics of the cavity Mirror by developed independently(on line:the green square point line for an incidence angle is 0?,and the red dot point line for an incidence angle is 45?);(d)spectrophotoMetricMeasureMents for self-developed w ith 0 degrees incidence angle(on line:green square point line)and iMported(on line:red dot line)Mirror refl ection spectral cu rves.

3.3 腔體、反射鏡和ULE環(huán)光學膠合

經(jīng)過光學超精密檢測,滿足光學加工要求的腔體和鍍膜特性需求的腔鏡,膠合后才可能構成超穩(wěn)光學參考腔.

首先將檢測后的腔體和腔鏡及ULE環(huán)的光膠表面進行清潔,此時膠合表面質量達10-5,表面粗糙度已達到幾埃或亞埃(rMs)水平.緊接著對膠合表面進行化學活化處理,以增加膠合面有效鍵合粒子的密度.經(jīng)過超精密拋光、清潔和表面化學活化處理后的兩個超光滑平面緊密接觸后,接觸表面部分分子之間的距離能夠達到共價鍵作用的范圍,因此兩膠合面在共價鍵和范德瓦爾斯力的共同作用下被牢固地鍵合在一起,鍵合強度甚至可以超過基材的強度[30],從而將腔鏡和腔體牢固地膠合到一起.使用同樣的工藝方法將兩個ULE環(huán)膠合到兩個腔反射鏡的外側.圖6(a)為自主化研制的球形超穩(wěn)腔.

4 參考腔測量結果與分析

由于腔體和腔鏡光膠面的加工缺陷、光膠工藝過程中的公差控制及鍵合強度等因素的影響,上述對獨立腔體及腔鏡反射率、損耗等特性的測量結果不能完全反映由它們所構成的超穩(wěn)腔本身的相關特性,因此需要對參考腔的光學特性進行測量評估.通常使用線寬、精細度、腔損耗等物理量描述超穩(wěn)光學參考腔的光學特性.本文主要針對這幾個量對自主研制的超穩(wěn)參考腔進行測量.圖6(b)為自主研制球形超穩(wěn)腔測試光路實物布局圖.

圖6 ULE球形參考腔和實驗測試光路(a)ULE球形參考腔;(b)參考腔測試光路(EOM,電光相位調制器;ML,模式匹配透鏡組;PBS,偏振分束棱鏡;QW P,λ/4波片;PD,快速光電探測器;BS,分束器;CCD,CCD相機)Fig.6.ULE spherical optical reference cavity and test optical system:(a)ULE spherical op tical reference cavity;(b)test op tical system(EOM,electro op tic Modu lator;ML,Mode Matching lens;PBS,polarization beaMsp litter;QW P,λ/4 wave p late;PD,photoelectric detector;BS,beaMsp litter;CCD,CCD caMera).

4.1 兩種方法測量球形超穩(wěn)參考腔的精細度

目前,國際上對超穩(wěn)參考腔精細度的測量通常有兩種辦法,一種被稱為直接“掃腔線寬測量法”,另一種被稱為“腔衰蕩測量法”.

4.1.1 掃腔線寬法測量超穩(wěn)腔精細度

圖7 掃腔線寬法測量球形參考腔精細度(a)測量原理圖(AOM,聲光調制器;SMfiber,單模光纖;M,反射鏡;實線代表光學路徑,虛線為電信號通道,下同);(b)掃腔透射峰信號,圖中黑色線為腔透射信號,藍色線為三角波電壓信號,紅色為擬合曲線Fig.7.Measu reMent of the finesse to spherical cavity by scanning cavity line w id th:(a)Princip le d iagraMof theMeasureMent(AOM,acoustic op tic Modu lator;SMfiber,single Mode fiber;M,Mirror;the solid line rep resents the op tical path,and the dotted line is the signal channel);(b)cavity transMission peak signal by scanning cavity,the b lack line is the transMission signal of the cavity,the b lue is the triangu lar wave voltage signal,and the red is fi tting curve.

本文中,將另一套基于100 mm進口柱形超穩(wěn)腔(C-CAV,精細度約為250000)鎖定的超窄線寬激光源(拍頻線寬<5 Hz)利用聲光調制器AOM實現(xiàn)157MHz移頻后,通過5m單模光纖饋送到自主研制球形超穩(wěn)腔(S-CAV),測量原理如圖7(a)所示.使用FFT測量單模光纖相噪引起的激光線寬展寬為0.4 Hz.利用EOM對入射到球形參考腔的光束進行相位調制,腔反射光束被高速光電探測器接收,高速探測器輸出的射頻信號經(jīng)過驅動EOM信號源的另一路本地信號解調獲得誤差信號,該信號再經(jīng)過一個一級PI放大電路將信號饋送到AOM驅動信號源對其進行反饋控制,調節(jié)AOM的驅動信號頻率,使得S-CAV和C-CAV同時鎖定,并將S-CAV透射信號送入示波器觀測.開啟AOM驅動信號三角波掃頻功能,掃描范圍為200 kHz,記錄存儲數(shù)據(jù).如圖7(b),使用Lorenz擬合對數(shù)據(jù)進行處理.采用多次測量求取平均值的辦法,測得S-CAV的線寬為(9800±1.0)Hz.根據(jù)參考腔的線寬和精細度F之間的關系式(1)[47],可以測得其精細度值.

式中,FSR為球形腔的自由光譜區(qū),?v為腔線寬.自由光譜區(qū)由FSR=c/(2n L)確定,c為光速,真空中折射率n=1,腔長L=78 mm.該球形參考腔的自由光譜范圍FSR=1.92 GHz.實驗進行多組測量后取測量平均值.掃腔線寬法測得該球形參考腔的精細度為195000±20.測量過程中,C-CAV置于0—100 Hz隔離度>20 dB的商售主動隔震臺上,S-CAV直接置于光學平臺上,未對其進行隔震處理,也沒有對腔體進行控溫處理,只對其做真空處理(真空度5×10?5Pa).

4.1.2 腔衰蕩法測量超穩(wěn)腔精細度

測量參考腔精細度的另一個方法是腔衰蕩法,測量原理如圖8(a)所示.Toptica DL100半導體激光源經(jīng)過AOM移頻,再經(jīng)過EOM進行相位調制后注入S-CAV,腔透射光和反射光在高速光電探測器PD1光敏面上外差拍頻轉換為光電信號,該信號與經(jīng)過適當相移的本地調制信號混頻獲得鑒頻誤差信號,再經(jīng)過低通濾波器(LP)后進入PID控制電路對激光源進行反饋控制,此即PDH鎖頻技術[7].S-CAV后高速光電探測器PD2與示波器相連接,用以記錄腔衰蕩信號.激光器鎖定運行穩(wěn)定后,設置適當?shù)膯未斡|發(fā)電平,使用AOM關閉入腔光束,獲得腔衰蕩曲線,對數(shù)據(jù)采用e指數(shù)擬合,如圖8(b).多次測量后取平均值,測得腔內光子壽命為τc=(15.8±0.4)μs.

由于存在腔損耗,光場在兩腔鏡間來回反射的過程中,光強隨時間按照指數(shù)規(guī)律衰減,測量依據(jù)如下理論公式[47]:

式中,τc為腔內光子壽命,FSR是球形腔的自由光譜區(qū).采用該方法測得的該球形參考腔精細度為196000±5100,該結果和通過掃腔線寬法測得精細度值很接近,但由于腔透射光功率不夠高,使得腔衰蕩曲線的信噪比不高,因此精細度的測量誤差比掃腔線寬法測量誤差大.

圖8 腔衰蕩法測量球形超穩(wěn)腔的精細度(a)測量原理圖(PS,相移器;Mixer,混頻器;LP,低通濾波);(b)腔透射信號衰蕩光譜曲線,圖中黑線為腔衰蕩信號,紅線為擬合曲線Fig.8.Measu reMent of the finesse to the spherical u ltra-stable cavity by cavity ring-down spectroscopy Method:(a)Princip le diagraMof the Measu reMent(PS,phase shifter;LP,low pass fi lter);(b)the ringdow n spectruMcurve of the cavity transMission signal,the b lack line in the figure is a cavity ring dow n signal and the red is the fi tting curve.

根據(jù)掃腔線寬法的測量結果,精細度約為200000的參考腔,理論推算其腔內光子壽命約為十幾μs,因此探測腔衰蕩信號的光電探測器須具有足夠高的光電響應速度,以減小或消除其響應時延對測量結果造成的影響.本文中腔衰蕩信號探測器PD 2響應時間為0.1μs,遠小于腔內光子壽命,其響應引入的時延可忽略不計.通常情況下,自由運轉時腔的透射信號很小,同時PD2的探測靈敏度不高,因此須將激光鎖定到該球形參考腔上,以獲得信噪比較高的透射信號進行測量.由圖8(b)可見,腔衰蕩信號的信噪比不是很高,主要是由于鎖定參數(shù)沒有經(jīng)過優(yōu)化,透射光功率不高導致的.在入腔光功率一定的條件下,通過改善鎖定反饋控制參數(shù)通常可以獲得最大的透射光信號.

腔內光子壽命和腔線寬之間存在簡單關系?v=1/(2πτc)[47,48],根據(jù)腔衰蕩測量的腔衰蕩時間(光子壽命)計算得到腔線寬為(10078±249)Hz,該值和通過直接掃腔線寬法測量的結果接近.

通過上述兩種方法對該球形參考腔精細度的測量結果可以知道,其精細度約為195000.

實驗上測得了參考腔的精細度后,由此可以推算參考腔的反射率.參考腔的精細度值代表著其分辨光譜的能力,通常精細度越大,其分辨光譜的能力就越強,腔鏡反射率也越高.精細度F和腔鏡反射率R之間存在如下關系[31,49]:

取球形參考腔的精細度F=195000,依據(jù)上式算得腔鏡反射率為0.9999909,該結果和對腔鏡反射率的測量結果是一致的.

4.2 球形超穩(wěn)參考腔損耗測量

參考腔的損耗是衡量其性能的另一個重要物理量,測量依據(jù)理論公式(4)式和(5)式[50].

式中,F為參考腔的精細度值,l為參考腔的總損耗,T為腔透射率,Pi,Pr和Pt分別為入腔、腔反射和腔透射光功率值.通常自由運轉情況下Pt很小,不能準確測量,因此須將激光器鎖定到該球形參考腔上進行損耗測量,測量原理同圖8(a).鎖定情況下,不便于對Pi和Pr直接測量,因此需借助光外差探測器PD 1對它們進行定標測量.

這里假設兩個腔鏡的損耗和透射相等,這樣假設的一個依據(jù)是對同一個參考腔來說,其腔鏡材料和鍍膜工藝相同.由實驗測得的參考腔精細度F,Pi,Pr和Pt,即可根據(jù)(4)式和(5)式計算得到腔的損耗和透射率.

測量過程中,光功率值的測量不確定度小于1%,電壓的測量不確定度小于2%.作為對照,我們將實驗室一個正在運行的窄線寬激光器系統(tǒng)上于2012年進口的100 mm參考腔的相關數(shù)據(jù)列入表1中.

表1 進口100 mm參考腔和自主研制78 mm參考腔主要性能參數(shù)比較Tab le 1.CoMparison of theMain perforMance parameters of iMported 100 mMreference cavity and 78 mMreference cavity developed independently.

5 結論

設計了球形超穩(wěn)腔的結構,使用有限元法分析了該參考腔的力學支撐和約束方式的敏感性,計算表明其最佳支撐位置點的震動敏感度小于1×10?10/g.完全依靠自主加工制造技術實現(xiàn)光學表面質量10-5、表面粗糙度<0.4 nm(rMs)光學加工.采用雙離子束濺射沉積鍍膜工藝,實現(xiàn)膜層厚控制精度為0.2%、工作波長損耗6 4 ppm、反射率>99.999%超高反射率鍍膜.采用干式光膠技術鍵合腔體和腔鏡.采用掃腔線寬法和腔衰蕩法測試了該球形參考腔的主要特征參數(shù),測試結果表明該腔的精細度約為195000,腔鏡反射率大于0.99999,腔損耗小于5 ppm.這些測量結果與國際上同類型產(chǎn)品的性能指標相當,腔損耗甚至更小.后續(xù)將開展對該超穩(wěn)腔的零膨脹系數(shù)工作點測量,將該球形參考腔應用于空間窄線寬激光器原理樣機系統(tǒng),全面評估其在實際工作環(huán)境中的震動敏感度、壓窄激光線寬和穩(wěn)定激光頻率的能力等整體特性.

[1]Leibrand t D R,Thorpe MJ,Notcutt M,D ru llinger R E,Rosenband T,Bergquist J C 2011 Opt.Express 19 3471

[2]K essler T,HageMann C,G rebing C,Legero T,Steer U,Riehle F,Martin MJ,Chen L,Ye J 2012 Nat.Photonics 6 687

[3]Swallow s MD,Martin MJ,Bishof M,Benko C,Lin Y,B latt S,Rey A M,Ye J 2012 IEEE Trans.U ltrason.Ferroelectr.Freq.Control 59 416

[4]Cole G D,Zhang W,Martin MJ,Ye J,AspelMeyerM2013 Nat.Photon.7 644

[5]HageMann C,Grebing C,Lisdat C,Falke S,Legero T,Sterr U,Rieh le F,Martin MJ,Ye J 2014 Opt.Lett.39 5102

[6]W u L,Jiang Y,Ma C,Qi W,Yu H,Bi Z,Ma L 2016 Sci.Rep.6 24969

[7]D rever R W P,Hall J L,Kowalski F V,Hough J,Ford G M,Mun ley A J,Ward H 1983 Appl.Phys.B 31 97

[8]Chou C W,HuMe D B,KoeleMeij J C,W ineland D J,Rosenband T 2010 Phys.Rev.Lett.104 070802

[9]H ink ley N,SherMan J A,Phillips N B,Schioppo M,LeMke N D,Beloy K,Pizzocaro M,Oates C W,Lud low A D 2013 Science 341 1215

[10]N icholson T L,CaMpbell S L,Hutson R B,Marti G E,B looMB J,McNally R L,Zhang W,Barrett MD,Safronova MS,Strouse G F,Tew W L,Ye J 2015 Nat.ComMun.6 6896

[11]Heinecke D C,Bartels A,D iddaMs S A 2011 Opt.Express 19 18440

[12]Fortier T M,K irchner MS,Quin lan F,Tay lor J,Bergquist JC,Rosenband,LeMke T N,Lud low A,Jiang Y,Oates CW,D iddaMs S A 2011 Nat.Photonics 5 425

[13]Hough J,Rowan S 2005 J.Opt.A:Pure App l.Opt.7 544

[14]W illke B,DanzMann K,Frede M,K ing P,K racht D,Kwee P,Puncken O,Savage R L,Schu lz B,Seifert F,VeltkaMp C,W agner S,W e?els P,W inkelMann L 2008 C lassical Quan tuMGravity 25 114040

[15]W illiaMs P A,Swann W C,Newbury N R 2008 J.Opt.Soc.Am.B 25 1284

[16]K essler T,HageMann C,G rebing G,Legero T,Sterr U,Rieh le F,Martin MJ,Chen L,Ye J 2012 Nat.Pho tonics 6 687

[17]W u L,Jang Y,Ma C,QiW,Yu H,Bi Z,Ma L 2016 Sci.Rep.6 24969

[18]Levin Y 1998 Phys.Rev.D 57 659

[19]NuMata K,KeMery A,CaMp J 2004 Phys.Rev.Lett.93 250602

[20]N ietzsche S,Naw rod t R,ZimMer A,Schnabel R,Vodel W,Seidel P 2006 Supercond.Sci.Technol.19 293

[21]Notcutt M,Ma L S,Ye J,Hall J L 2005 Opt.Lett.30 1815

[22]Lud low A D,Huang X,Notcutt M,Zanon T,ForeMan SM,Boyd MM,B latt S,Ye J 2007 Opt.Lett.32 641

[23]Nazarova T,Rieh le F,Sterr U 2006 Appl.Phy.B 83 531

[24]W ebster S A,Oxborrow M,Gill P 2007 Phy.Rev.A 75 10064

[25]Chen L S,Hall J L,Ye J,Yang T,Zang E,Li T C 2006 Phy.Rev.A 30 150

[26]Lyngnes O,Ode A,Ness D C 2009 Proceedings of SPIEThe International Society 7504

[27]Traggis N G,C laussen N R,W ood C S,Lyngnes O http://advanced thin fi lMs.com/[2016-9-1]

[28]W ood C,Carpenter D,Lyngnes O http://advanced thin fi lMs.com/[2016-9-1]

[29]Carpenter D,W ood C,Lyngnes O,Traggis N http://advanced thin fi lMs.com/[2016-9-1]

[30]Traggis N G,C laussen N R 2010 tetitSPIE LASE 7578

[31]Darrow MC2014 Macalester JourMal of Physics&AstronoMy 2 3

[32]Zalicki P,Zare R N 1995 J.Chem.Phys.102 2708

[33]http://wwwnasagov/directorates/heo/scan/engineering/technology/txt_dsachtMl http://wwwexphyuni-duessel dorfde/[2016-9-1]

[34]W ebster S,G ill P 2011 Opt.Lett.36 3572

[35]Schiller S,Gorlitz A,Nevsky A,A lighanbari S 2012 Physics 48 412

[36]Kessler T,Legero T,Sterr U 2012 J.Opt.Soc.Am.B 29 178

[37]Legero T,K essler T,Sterr U 2010 J.Opt.Soc.Am.B 27 776

[38]Ong J L,Lucas L C,Lacefield W R,Rigney E D 1992 BioMaterials 13 249

[39]W u J J,W u C T,Liao Y C,Lu T R,Chen L C,Chen K H,Hwa L G,Kuo C T,Ling K J 1999 Thin So lid FilMs s355 417

[40]CorMie P,Mcbride JM,Mccau lley G O 2009 J.Strength Cond.Res.23 177

[41]Berg S,Katard jiev L 1999 J.Vac.Sci.Techno l.A 17 1916

[42]FlaMinio R,Franc J,Michel C,Morgado N,Pinard L,Sassolas B 2010 C lassical Quan tuMGravity 27 84030

[43]Buzea C,Robbie K 2005 Rep.Prog.Phys.68 385

[44]Mitin V F,Lazarow V K,Lari L,Ly tvyn P M,K holevchuk V V,Matveeva L A,Mitin V V,Venger E F 2014 Thin Solid FilMs 550 715

[45]A lexand rovski A 2009 Proceedings of SPIE-The In ternational Society 7193 71930D-13

[46]Lyngnes O,Traggis N,W ood C http://advanced thin fi lMs.com/[2016-9-1]

[47]Law rence MJ,W illke B,HusMan ME,Gustafson E K,Byer R L 1999 J.Opt.Soc.Am.B 16 523

[48]Foltynow icz A 2009 Ph.D.D issertation(UMe?:UMe? University)

[49]Hofstetter D,Thornton R L 1998 IEEE J.Quan tuME lectron.34 1914

[50]Hood C J,K iMb le H J,Ye J 2001 Phy.Rev.A 64 33804

(Received 29 Sep teMber 2016;revised Manuscrip t received 18 January 2017)

PACS:06.20.F–,42.79.Wc,62.25.Jk,78.20.JqDOI:10.7498/aps.66.080601

*Pro ject supported by the Special Fund for Research on National Major Research InstruMents and Facilities of the National Natu ral Science Fundation of China(G rant No.61127901),the National Natural Science Foundation of China(G rant Nos.11273024,61025023),and the Young Scientists Fund of the National Natural Science Foundation of China(G rant No.11403031).

?Corresponding author.E-Mail:taoliu@ntsc.ac.cn

Self-reliance and independently developed h igh-fi nesse spherical u ltrastab le op tical reference cavity?

Liu Jun1)2)Chen Bo-Xiong3)Xu Guan-Jun2)Cui Xiao-Xu3)Bai Bo3)Zhang Lin-Bo2)Chen Long2)Jiao Dong-Dong2)Wang Tao3)Liu Tao2)?Dong Rui-Fang2)Zhang Shou-Gang2)

1)(University of Chinese AcadeMy of Sciences,Beijing 100049,China)2)(National TiMe Service Center,Chinese AcadeMy of Sciences,TiMe and Frequency Stardard Laboratory,Xi’an 710600,China)3)(Avic X i’an Fight Au toMatic Control Research Institute,X i’an 710065,China)

U ltra-stable reference cavity w ith high finesse is a crucial coMponent in a narrow-linew idth laser systeMwhich is w idely used in tiMe and frequency Metrology,the test of Lorentz invariance,and Measure of gravitational wave.In this paper,we report the recent p rogress of the self-Made spherical reference cavity,aiMing at the future space app lication.Themain function of cavity is the reference of ultra-stable laser,which is the local reference oscillation source of space op tical clock.

The diaMeter of the designed spherical cavity spacer Made of ultra-low expansion glass is 80 mm,and the cavity length is 78mm,flat-concaveMirrors con figuration,and the radius of the concaveMirror is 0.5m.The support structure is designed to have two 3.9 mm-radius spherical groves located at the poles of the sphere along the diaMeter direction(defined as support axis),and a 53 angle between the support axis and the optical axis.The mechanic vibration sensitivities of the cavity along and perpendicular to the op tical axis are both calculated by finite eleMent analysis Method to be below 1×10?10/g.Five-axis linkage CNC Machining sphere forMing technology is app lied to SΦ80 mMspherical surface processing w ith spherical contour degree up to 0.02.A fter a three-stage surface polishing processes,the fused silicaMirror substratessurface roughness isMeasured to be less than 0.2 nm(rMs).IMp leMenting double ion beaMsputtering technique forMirror coating,the reflection of the coating achieves a reflectivity of>99.999%and a loss of<4 ppMfor 698 nMlaser.The coating surface roughness ismeasured to be<0.3 nm(rMs).The cavity spacer and theMirror are bonded by dried op tical contact.In order to iMprove the therMal noise characteristics of the cavity,an ultra low expansion ring is contacted op tically to the outer surface of theMirror.

The cavity is characterized by ring-down spectroscopy,and the finesse is around 195000.W ith the help of a homeMade 698 nMultra narrow line-w idth laser,the cavity line-w idth isMeasured to be 9.8 kHz by sweeping cavity Method.A 698 nMseMiconductor laser is locked to this spherical cavity by PDH technology,and the cavity loss isMeasured to be<5 ppm.

ultra-stable cavity,ultra low expansion,finesse,optical clock

10.7498/aps.66.080601

?國家重大科研儀器設備研制專項(批準號:61127901)、國家自然科學基金(批準號:11273024,61025023)和國家自然科學基金青年科學基金(批準號:11403031)資助的課題.

?通信作者.E-Mail:taoliu@ntsc.ac.cn

?2017中國物理學會C h inese P hysica l Society

http://w u lixb.iphy.ac.cn