[论文解读] 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 1

一句话总结

本文提出了一种使用ULE玻璃隔框和熔融石英镜片制造法布里-珀罗激光谐振腔的精密制造工艺，实现了5角秒的端面平行度和180 mm长腔体的0.014 mm圆柱度。该方法结合了定制中空钻孔、残余应力释放蚀刻以及三维坐标测量技术，实现了在31 °C下亚ppm级别的稳定性，支持用于光频钟和频率传递的超稳激光器。

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.

研究动机与目标

• 开发一种可重复、高精度的法布里-珀罗激光谐振腔制造工艺，实现亚角秒级的角精度。
• 通过在ULE环形结构上进行机械稳定化，解决熔融石英镜片与ULE隔框之间的热膨胀系数不匹配问题。
• 实现长腔体（180 mm，12 mm直径）的高精度钻孔，偏差和残余应力极小。
• 利用三维坐标测量技术，实现对超精密光学元件几何参数的高精度测量。
• 设计在31 °C下稳定的谐振腔系统，适用于光原子钟和相干光纤链路应用。

提出的方法

• 选用ULE玻璃（在31 °C时热膨胀系数为零）作为隔框材料，以最小化温度引起的频率漂移。
• 采用定制的300 mm中空金刚石键合钻头，配合内部冷却和杠杆辅助排屑，防止深孔钻削过程中的断裂。
• 采用1:1 HCl/HF蚀刻工艺，在粗加工后释放次表层残余应力并清除加工残留物。
• 使用配备90 mm探针和8 mm球头的三坐标测量机（CMM），以10 mm轴向步长测量腔体圆度和圆柱度。
• 通过有限元方法（FEM）仿真，优化镜片稳定化设计，添加外部ULE环以抑制轴向弯曲。
• 进行热循环测试至200 °C，验证所有光学与机械接口的连接完整性和机械稳定性。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何在ULE玻璃中实现180 mm长、12 mm直径的腔体，使其具有高同轴度和圆柱度？
• RQ2 哪些机械与热设计策略可最小化超稳激光谐振腔的频率漂移？
• RQ3 如何减少熔融石英镜片与ULE隔框粘接后产生的应力与几何畸变？
• RQ4 采用何种测量技术可确保长光学腔体的亚角秒级角精度和0.014 mm圆柱度？
• RQ5 如何实现谐振腔的制造与测试，以确保其在31 °C下具备真空兼容性和长期稳定性？

主要发现

• 实现了180 mm腔体5角秒的端面平行度和0.02 mm的同轴度，满足超稳激光器的严格要求。
• 在180 mm长度范围内实现了0.014 mm的腔体圆柱度，对模式控制和频率稳定性至关重要。
• 通过在31 °C下稳定运行，将热漂移降低至约3.2 mHz/s，充分利用了ULE在该温度下的零-CTE特性。
• 成功使用定制中空钻头和激光监控技术，实现180 mm长、12 mm直径孔的高精度钻削与测量，偏差极小。
• 通过热循环至200 °C验证了连接完整性，证实其适用于真空和高温环境下的长期运行。
• 凹面镜表面实现了0.472 nm RMS的微观粗糙度，表明光学质量极高。