超穩(wěn)激光真空系統(tǒng)熱時(shí)間常數(shù)的研究.pdf

1、與微波頻標(biāo)相比，光頻標(biāo)具有更高的頻率準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性，可以更好地服務(wù)于國(guó)防、科研等領(lǐng)域。光頻標(biāo)系統(tǒng)共包括以下三個(gè)部分：超穩(wěn)激光系統(tǒng)、離子/原子囚禁系統(tǒng)和飛秒光梳系統(tǒng)。其中，超穩(wěn)激光系統(tǒng)作為本地振蕩器是整個(gè)光頻標(biāo)的核心，而作為鑒頻器的法布里-珀羅（Fabry-Pe′rot，F(xiàn)P）腔則又是超穩(wěn)激光系統(tǒng)的關(guān)鍵部分。為了減小來(lái)自外界環(huán)境的影響，通常將 FP腔放置在較高真空度的真空腔室中。為了獲得更高的頻率穩(wěn)定性，從減小來(lái)自外界溫度波動(dòng)影響的方面考

2、慮，超穩(wěn)腔真空系統(tǒng)需要有足夠大的熱時(shí)間常數(shù)。目前，真空系統(tǒng)的熱時(shí)間常數(shù)的測(cè)量主要是基于理論計(jì)算或者實(shí)驗(yàn)測(cè)量。第一種方法只適用于簡(jiǎn)單的系統(tǒng)，而第二種方法則需要花費(fèi)較長(zhǎng)的時(shí)間。為了克服這些限制，本論文提出了利用基于超穩(wěn)腔真空系統(tǒng)完整模型的有限元分析方法仿真系統(tǒng)的熱時(shí)間常數(shù)。基于此，本課題主要是研究如何仿真分析和增大超穩(wěn)腔真空系統(tǒng)的熱時(shí)間常數(shù)。
　　作者利用有限元分析方法模擬仿真了實(shí)驗(yàn)室已有的兩套超穩(wěn)腔真空系統(tǒng)的熱時(shí)間常數(shù)分別為6.8×

3、104 s和8.7×104 s，并與將系統(tǒng)內(nèi)的參考腔當(dāng)做一個(gè)測(cè)溫計(jì)，通過(guò)利用超穩(wěn)激光系統(tǒng)和頻率梳拍頻測(cè)量環(huán)境溫度發(fā)生改變后的頻率隨時(shí)間變化的響應(yīng)曲線，然后對(duì)其進(jìn)行擬合獲得的時(shí)間常數(shù)進(jìn)行了比對(duì)，兩者結(jié)果吻合良好，誤差小于6％，驗(yàn)證了方法的可靠性。利用這種方法可以將熱時(shí)間常數(shù)的測(cè)量時(shí)間由幾個(gè)月縮短到幾天。
　　基于利用有限元模擬仿真熱時(shí)間常數(shù)的方法，作者研究了在保證一定的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性等前提條件下提高超穩(wěn)腔真空系統(tǒng)熱時(shí)間常數(shù)的設(shè)計(jì)

4、規(guī)律，主要包括真空腔內(nèi)的真空度的選擇，隔熱罩材料、厚度、層數(shù)以及各層間距的影響，以及各層之間的支撐結(jié)構(gòu)形狀、材料的設(shè)計(jì)等。作者在隔熱罩的優(yōu)化設(shè)計(jì)中采用了田口方法安排實(shí)驗(yàn)，評(píng)估結(jié)果，得出了隔熱罩的材料和層數(shù)是改善系統(tǒng)熱時(shí)間常數(shù)的主要貢獻(xiàn)項(xiàng)的結(jié)論。在支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)上，作者使用了三個(gè)氟化橡膠球的支撐方式。同時(shí)，在真空度的選擇上，作者發(fā)現(xiàn)在系統(tǒng)真空度達(dá)到10-5 Pa之后，真空度的改善對(duì)系統(tǒng)熱時(shí)間常數(shù)的影響已經(jīng)不明顯。
　　此外，本論文還