[論文レビュー] Production and measuring methods and procedures in precision optical cavities production

Jiří Beneš, František Procháska+4 more|arXiv (Cornell University)|Jul 1, 2021

Advanced Frequency and Time Standards参考文献 8被引用数 1

ひとこと要約

本論文では、ULEガラスのスペーサと融珪石英ミラーを用いたファブリ–ペロー共振器の高精度製造プロセスを提示する。180 mmの長さのキャビティで、面平行度が5 arcsec、円筒度が0.014 mmに達した。この方法は、カスタムホールドリリング、応力緩和エッチング、3次元座標メタロロジーを統合し、31 °Cでppm未満の安定性を実現した。これにより、光格子時計や周波数伝送用の超安定レーザーの実現が可能になった。

ABSTRACT

This work presents the development of the production process of a Fabry Perot type laser resonator. It describes the acquired knowledge in the field of production of very precise optical standards, cavities, and lenses. In addition, it describes the measurement methods used in production. The work is intended for industry and science.

研究の動機と目的

• 超安定レーザーの要件を満たす、再現性があり高精度なファブリ–ペロー・レーザー共振器のプロダクションプロセスを開発すること。
• 融珪石英ミラーとULEスペーサの熱膨張率の不一致を解消するため、ULEリングを用いた機械的安定化手法を考案すること。
• 180 mmの長さ、12 mmの直径を持つ高精度なキャビティを、最小限のずれと残留応力で深穴加工すること。
• 3次元座標メタロロジーを用いて、超精密光学素子の幾何寸法を高精度に測定すること。
• 31 °Cで安定した共振器システムを設計し、光原子時計や位相整合性を持つファイバー・リンクへの応用を可能とすること。

提案手法

• 31 °Cで熱膨張率がゼロ（CTE = 0）であるULEガラスをスペーサ材料として使用し、温度変化に起因する周波数ドリフトを最小限に抑えた。
• 深穴加工中に破損を防ぐため、内蔵冷却機能とレバーアシスト排出機構を備えたカスタム300 mmのホールドリリング（ダイヤモンド接着）を採用した。
• 粗加工後に表面に残る応力と加工片を除去するため、1:1のHCl/HFエッチングを実施した。
• 90 mmのプローブと8 mmのボールを備えた3次元座標測定機（CMM）を用い、10 mmの軸方向ステップごとにキャビティの円形度と円筒度を測定した。
• 有限要素法（FEM）シミュレーションを用いて、外部にULEリングを追加することでミラーの軸方向たわみを抑制する最適化を実施した。
• すべての光学的および機械的接合部の整合性と機械的安定性を検証するため、200 °Cまで熱サイクリングを実施した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ULEガラスに180 mmの長さ、12 mmの直径のキャビティを、高い同軸性と円筒度を維持して加工する方法は何か？
• RQ2 超安定レーザー共振器における周波数ドリフトを最小限に抑えるための機械的・熱的設計戦略は何か？
• RQ3 融珪石英ミラーをULEスペーサに接着する際の応力と幾何的歪みをどのように低減できるか？
• RQ4 長大な光学キャビティにおいて、1秒未塔の角度精度と0.014 mmの円筒度を確保するための測定技術は何か？
• RQ5 31 °Cで長期間にわたり安定性を確保できるように、共振器をどのように製造・試験すればよいか？

主な発見

• 180 mmのキャビティで、5 arcsecの面平行度と0.02 mmの同軸性を達成し、超安定レーザーに求められる厳しい要件を満たした。
• 180 mmの長さにわたり0.014 mmの円筒度を実現した。これはモード制御と周波数安定性に不可欠な要因である。
• 31 °Cでの安定化により、熱的ドリフトを約3.2 mHz/sにまで低減した。これはULEのゼロCTE点を活用した結果である。
• カスタムホールドリリングとレーザー監視を組み合わせることで、わずかなずれで180 mmの長さ、12 mmの直径の穴を加工・測定に成功した。
• 200 °Cまでの熱サイクリングにより、接合部の整合性が確認され、真空環境および高温環境下での耐久性が裏付けられた。
• 凹面ミラー表面のRMS微細粗さを0.472 nmに達成し、高品質な光学的仕様を示した。