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光学谐振腔敏感度的有限元分析

发布于:2016-05-17 20:59
有限元分析

      超稳激光因其良好的相干特性,在科学与工程领域具有重要的应用,如光学频率标准、引力波探测、基础物理定律的检验等。目前获得超稳激光器最有效的方法之一是Pound-Drever-Hall (PDH)稳频方法,该方法以光学谐振腔的谐振频率作为参考,而其谐振频率是由谐振腔的有效腔长决定的,因此稳频效果受到光学谐振腔的长度稳定性限制。
      在激光稳频中,为了保持腔长的稳定,一方面需要为腔提供真空、恒温和低振动的稳定环境,另一方面也需要从腔材料、腔的支撑方式等方面减小其对环境变化的敏感度。就降低振动影响这方面而言,通常需要利用有限元分析App对腔和物理场进行建模仿真,考察并优化腔长对加速度的敏感程度,这是光学谐振腔的设计中不可缺少的步骤。在之前的工作中,建立了腔长变化与腔体形变间的定量关系,并且在相对简单的硬支撑方式下对加速度导致的腔体形变进行了数值计算。
      模型的建立是仿真的关键步骤之一。目前用于腔体形变分析常见模型中,所采用的支撑方式主要是在腔体上进行约束,即在腔体被支撑面上选取几点或者几块小区域进行固定,或采用刚性支撑并将其直接与腔体“结合”为一体。而实验中为了更加有效地降低振动的影响,一般是以软性材料垫在腔体下面作为支撑,这种情况下在腔体上约束或采用刚性和融合式支撑的建模方式就有可能在计算腔体的形变时产生不同程度的误差,进而影响到光腔加速度敏感度的分析与优化。
      为了进一步验证光学谐振腔加速度敏感度分析的可靠性,在有限元分析的建模环节中以软性材料作为腔体的支撑,并将腔体与软性材料之间的接触方式设置为更接近实际的“无穿透”方式。在此基础上,分析了这种支撑方式下腔长在3个正交方向的加速度敏感度,并将之与直接在腔体上约束的方式的分析结果进行了比较,以帮助判断是否有必要采用软性材料支撑的建模方式。而在模型中采用软性材料作为腔体的支撑时,腔体会发生相对较大的整体转动,这对分析腔长变化带来不便。为此,采用一种旋转坐标系的方法,将腔体的整体转动导致的那部分腔镜的倾斜和相对位移从有限元分析结果中先扣除掉,然后再分析腔长的变化。为了选择最优支撑结构的建模方式,对两种支撑结构下腔的加速度敏感度进行了比较,此外还考察了腔体与软性支撑之间摩擦系数的大小对有限元分析结果的影响。


                                                                                  专业从事机械产品设计│有限元分析│强度分析│结构优化│技术服务与解决方案
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