[发明专利]一种低温激光干涉测量光学系统的热噪声抑制系统

说明书

本发明涉及低温激光干涉测量光学系统的热噪声抑制方法及系统，第一质量流量计输出的反应气体和第二质量流量计输出的稀有气体在标准工作气体装置内充分混合后得到标准工作气体，标准工作气体装置将标准工作气体通入射频等离子体发生器；射频等离子体发生器通过射频放电产生混合物等离子体并将混合物等离子体通入待处理光学构件所在的真空腔，混合物等离子体与待处理光学构件的表面相互作用，完成对待处理光学构件的热噪声处理。本发明利用混合物等离子体改变构件表面材料的特征，降低表面损耗，解决了表面损耗引发的热噪声问题，提高测量灵敏度，同时具备超低温及超高真空环境的兼容性及在线原位处理能力，是一种有效可靠的热噪声抑制方法及系统。

技术领域

本发明涉及激光干涉精密测量技术领域，特别是涉及一种低温激光干涉测量光学系统的热噪声抑制系统。

背景技术

激光干涉测量是以激光为光源，以激光波长或激光频率为基准，利用光的干涉原理进行精密测量的方法，具有灵敏度高、测量精度高及非接触测量等优势，在位移、角度、长度、面形、介质折射率变化、振动等方面应用广泛。热噪声是影响激光干涉测量光学系统测量精度及灵敏度的关键因素，低温是实现热噪声抑制最为有效的技术。但由于最低温度存在临界值，因此低温对热噪声的抑制也存在极限。如何在低温条件的基础上，进一步抑制热噪声，是实现激光干涉测量超高灵敏度、超高精度指标必须解决的关键问题。

激光干涉引力波探测器是目前建设的灵敏度要求最高的位移测量装备，采用迈克尔逊干涉仪的结构形式，其探测的基本原理为：天文物理天体事件会引发极其细微的时空效应，导致激光干涉仪中光学元件位置变化，通过探测光学元件的位移实现引力波探测。地基低温引力波探测器采用倒摆悬挂的方式实现对振动噪声的衰减，热噪声是实现探测器超高灵敏度必须考虑的关键问题。为排除周围环境振动噪声影响，干涉仪中的反射镜通过悬线悬挂在倒摆中。为尽可能实现灵敏度进一步提高的目标，应格外关注系统中涉及的噪声问题，在低频范围（小于10Hz），热噪声是影响灵敏度的主要方面，因此探测器的工作温度低至10K，尽管如此，在激光干涉测量中，激光在光学表面会产生热负荷，热负荷是热噪声的主要来源。

热噪声抑制是实现超高灵敏度指标的必然选择。光学构件材料的力学损耗是决定光学元件及悬线热噪声性的决定性参量，材料的力学损耗包括多种形式，如热弹性损耗、声子散射损耗、表面损耗等。低温引力波探测器所采用的超低温技术可显著降低热弹损耗所引起的热噪声，在低温条件下，表面损耗是结构力学损耗的主要表现形式，因此，作为低温引力波探测器的关键构件，悬线及反射镜表面所产生热噪声对整个系统的影响十分显著，因此表面损耗是进一步抑制热噪声的关键。表面损耗的处理是实现热噪声抑制必须要解决的关键问题。

热处理是目前解决悬线及反射镜所引起的热噪声问题的现有技术方案，热处理通过对结构表面材料的处理，来降低表面损耗。但热处理后的低损耗所维持时间较短，不满足引力波探测器在线长期测量的应用需求，此外探测器在长期工作的过程中，光学元件及悬线表面会形成污染性的分子吸附，加剧构件的表面损耗，引发热噪声，第三代引力波探测器的工作环境是超低温超高真空，构件表面损耗的离线处理是不可行的方案，因此迫切需要一种能够在线原位的热噪声抑制技术。

发明内容

基于此，有必要针对现有技术中缺少能够兼容超低温、超高真空，可在线原位处理光学系统关键构件表面损耗，实现热噪声抑制的方法，提供一种低温激光干涉测量光学系统的热噪声抑制系统。本发明采用等离子体噪声抑制技术，利用等离子体的物理溅射与化学刻蚀效应，改变构件表面材料的特征，降低表面损耗，从而解决了表面损耗引发的热噪声问题。此外，本发明采用的等离子体噪声抑制技术面向的是探测器实际工作条件，具备超低温及超高真空环境的兼容性，具备在线原位处理能力，不仅降低了光学构件的表面损耗，而且避免了处理工艺对光学构件产生不利影响，是一种有效可靠的热噪声抑制系统。

为实现上述目的，本发明采取以下技术技术方案：