阅读说明：本技术 一种低温激光干涉测量光学系统的热噪声抑制方法及系统 (Thermal noise suppression method and system for low-temperature laser interferometry optical system ) 是由 王依 于 2020-07-22 设计创作，主要内容包括：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。(The invention relates to a thermal noise suppression method and a system of a low-temperature laser interferometry optical system.A reaction gas output by a first mass flow meter and a rare gas output by a second mass flow meter are fully mixed in a standard working gas device to obtain a standard working gas, and the standard working gas device leads the standard working gas into a radio frequency plasma generator; the radio frequency plasma generator generates mixture plasma through radio frequency discharge, the mixture plasma is introduced into a vacuum cavity where the optical component to be processed is located, the mixture plasma interacts with the surface of the optical component to be processed, and thermal noise processing of the optical component to be processed is completed. The method utilizes the mixture plasma to change the characteristics of the surface material of the component, reduces the surface loss, solves the problem of thermal noise caused by the surface loss, improves the measurement sensitivity, has the compatibility of ultralow temperature and ultrahigh vacuum environment and online in-situ processing capability, and is an effective and reliable thermal noise inhibition method and system.)

一种低温激光干涉测量光学系统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方法及系统。

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方法及系统。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方法及系统。

为实现上述目的，本发明采取以下技术技术方案：

一种低温激光干涉测量光学系统的热噪声抑制系统，包括反应气体气源、稀有气体气源、第一质量流量计、第二质量流量计、标准工作气体装置和射频等离子体发生器；

所述反应气体气源通过所述第一质量流量计与所述标准工作气体装置的进气端连接，所述稀有气体气源通过所述第二质量流量计与所述标准工作气体装置的进气端连接；

所述第一质量流量计和所述第二质量流量计的质量流量比为1:2，所述第一质量流量计输出的反应气体和所述第二质量流量计输出的稀有气体在所述标准工作气体装置内充分混合后得到标准工作气体，所述标准工作气体装置将所述标准工作气体通入所述射频等离子体发生器；

所述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所述混合物等离子体通入待处理光学构件所在的真空腔，使所述待处理光学构件沉浸在所述混合物等离子体氛围中，且抽真空装置保持所述真空腔的真空度始终高于预设真空度阈值，所述混合物等离子体与所述待处理光学构件的表面相互作用，完成对所述待处理光学构件的热噪声处理。

同时，本发明还提出一种基于上述一种低温激光干涉测量光学系统的热噪声抑制系统的热噪声抑制方法，包括以下步骤：

步骤一：保持所述待处理光学构件所处环境的真空度始终高于预设真空度阈值；

步骤二：开启所述反应气体气源和所述稀有气体气源；

步骤三：设置所述第一质量流量计和所述第二质量流量计的质量流量比为 1:2；

步骤四：所述标准工作气体装置将所述标准工作气体通入所述射频等离子体发生器；

步骤五：启动所述射频等离子体发生器，并将所述射频等离子体发生器的射频频率调节至13.56MHz；

步骤六：经过预设处理时长之后，关闭所述射频等离子体发生器及所述反应气体气源、所述稀有气体气源；

步骤七：所述抽真空装置将所述真空腔内的反应产物及恢复到基态的气体物质抽出。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)本发明提出的热噪声抑制方法及系统利用混合物等离子体所具有的能量与化学活性，改善待处理光学构件的表面特征，针对待处理光学构件表面粗糙度、化学键缺失、杂质污染吸附、局部晶格畸变等决定表面损耗的影响因素，待处理光学构件与混合物等离子体相互作用过程中物理溅射与化学刻蚀协同作用，通过降低表面损耗实现热噪声抑制，进一步提高了低温激光干涉测量光学系统的灵敏度；

(2)等离子体处理工艺兼容地基低温引力波探测器超低温、超高真空的工作条件，因此本发明提出的热噪声抑制方法及系统是面向地基低温引力波探测器的实际工作环境，满足在线原位长期测量的应用需求，可在线原位处理光学系统关键构件表面损耗，实现热噪声的有效抑制，解决了地基低温引力波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而引起构件的表面损耗增加，最终导致热噪声的问题。

附图说明

图1为一个实施例中本发明一种低温激光干涉测量光学系统的热噪声抑制系统的结构示意图；

图中：1、反应气体气源；2、稀有气体气源；3、第一质量流量计；4、第二质量流量计；5、标准工作气体装置；6、射频等离子体发生器；7、待处理光学构件；8、真空腔；9、抽真空装置；10、吸附污染物；11、反应产物。

具体实施方式

下面将结合附图及较佳实施例对本发明的技术方案进行详细描述。

在一个实施例中，如图1所示，本发明提供一种低温激光干涉测量光学系统的热噪声抑制系统，该热噪声抑制系统包括反应气体气源1、稀有气体气源2、第一质量流量计3、第二质量流量计4、标准工作气体装置5和射频等离子体发生器6。

具体地，反应气体气源1通过第一质量流量计3与标准工作气体装置5的进气端连接，稀有气体气源2通过第二质量流量计4与标准工作气体装置5的进气端连接。反应气体气源1用于为热噪声处理提供反应气体，反应气体可以为氢异气体、氧异气体或者氮气中的任意一种；稀有气体气源2用于为热噪声处理提供稀有气体，稀有气体可以为氦气、氖气或者氩气中的任意一种。

第一质量流量计3和第二质量流量计4的质量流量比保持为1:2，以提高热处理的处理效率，实验证明，当第一质量流量计3和第二质量流量计4的质量流量比为1:2时，热处理的效率最高，并且第一质量流量计3和第二质量流量计4的具体质量流量值可根据实际需要进行设定，满足第一质量流量计3和第二质量流量计4的质量流量比为1:2即可，例如第一质量流量计3的质量流量设置为5sccm，第二质量流量计4的质量流量设置为10sccm；第一质量流量计3 输出的反应气体A和第二质量流量计4输出的稀有气体X在标准工作气体装置 5内充分混合后得到标准工作气体，并且反应气体A和稀有气体X充分混合后得到标准工作气体，标准工作气体装置5将标准工作气体通入射频等离子体发生器6。

射频等离子体发生器6通过射频放电产生混合物等离子体，本实施例中射频等离子体发生器6的射频频率可根据实际使用的反应气体和稀有气体的类型进行选择，例如射频频率为13.56MHz，射频等离子体发生器6在该射频频率下，具有较高的等离子体激发效率，同时满足安全限制要求。射频等离子体发生器6 将产生的混合物等离子体通入待处理光学构件7所在的真空腔8，其中，混合物等离子体包括激发态稀有元素粒子X*、反应气体粒子A*及其合成粒子XA；真空腔8通入混合物等离子体之后，待处理光学构件7沉浸在混合物等离子体氛围中，并且抽真空装置9保持真空腔8的真空度始终高于预设真空度阈值，可选地，本实施例中的预设真空度阈值为10^-5mbar～10^-3mbar。

在真空腔8中，混合物等离子体与待处理光学构件7的表面相互作用，完成对待处理光学构件7的热噪声处理。待处理光学构件7的表面与混合物等离子体相互作用，包括发生物理溅射与化学刻蚀反应，其中稀有元素粒子X*与待处理光学构件7的表面主要发生物理溅射，改善表面粗糙度、表面化学键缺失及局部晶格畸变等，而反应气体粒子A*及合成粒子XA主要发生化学刻蚀反应，实现待处理光学构件7的表面吸附污染物10的去除，将真空腔8内的反应产物 11及恢复到基态的反应气体A及稀有气体X抽出，完成对待处理光学构件7的热噪声处理。

本实施例所提出的低温激光干涉测量光学系统的热噪声抑制系统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，改变待处理光学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，本实施例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，不仅降低了待处理光学构件的表面损耗，而且避免了处理工艺对待处理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。

本发明所提出的低温激光干涉测量光学系统的热噪声抑制系统适用于精密激光干涉测量技术领域内光学元件表面损耗处理，尤其适用于超低温引力波探测器光学测量系统的热噪声抑制，待处理光学构件7可以为超低温引力波探测器中的硅悬线及硅反射镜，能够有效解决超低温引力波探测器中硅悬线及硅反射镜的热噪声问题，降低硅悬线及硅反射镜的表面损耗，抑制热噪声，从而提高超低温引力波探测器光学测量系统的测量灵敏度，同时也满足探测器在线原位处理要求。

在另一个实施例中，本发明还提出一种基于前述实施例所述的低温激光干涉测量光学系统的热噪声抑制系统的热噪声抑制方法，该低温激光干涉测量光学系统的热噪声抑制方法主要包括以下步骤：

步骤一：保持待处理光学构件7所处环境的真空度始终高于预设真空度阈值；

步骤二：开启反应气体气源1和稀有气体气源2；

步骤三：设置第一质量流量计3和第二质量流量计4的质量流量比为1:2，在标准工作气体装置5内得到标准工作气体；

步骤四：标准工作气体装置5将标准工作气体通入射频等离子体发生器6；

步骤五：启动射频等离子体发生器6，并将射频等离子体发生器6的射频频率调节至13.56MHz，通过射频放电得到混合物等离子体；使待处理光学构件7 沉浸在混合物等离子体氛围中，保持工艺环境真空度高于预设真空度阈值,待处理光学构件7表面材料与混合物等离子体相互作用，包括物理溅射与化学刻蚀，改善待处理光学构件7表面粗糙度、化学键缺失、吸附杂质污染物、局部晶格畸变等特征参量，降低其表面损耗；

步骤六：经过预设处理时长之后，关闭射频等离子体发生器6及反应气体气源1、稀有气体气源2；

步骤七：利用维持待处理光学构件7工艺环境真空度的抽真空装置9将真空腔8内的反应产物11及恢复到基态的反应气体A及稀有气体X抽出，至此完成待处理光学构件7的热噪声处理，达到抑制待处理光学构件7的热噪声的目的。

本发明具有以下有益效果：

(1)本发明提出的热噪声抑制方法及系统利用混合物等离子体所具有的能量与化学活性，改善待处理光学构件的表面特征，针对待处理光学构件表面粗糙度、化学键缺失、杂质污染吸附、局部晶格畸变等决定表面损耗的影响因素，待处理光学构件与混合物等离子体相互作用过程中物理溅射与化学刻蚀协同作用，通过降低表面损耗实现热噪声抑制，进一步提高了低温激光干涉测量光学系统的灵敏度；

(2)等离子体处理工艺兼容地基低温引力波探测器超低温、超高真空的工作条件，因此本发明提出的热噪声抑制方法及系统是面向地基低温引力波探测器的实际工作环境，满足在线原位长期测量的应用需求，可在线原位处理光学系统关键构件表面损耗，实现热噪声的有效抑制，解决了地基低温引力波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而引起构件的表面损耗增加，最终导致热噪声的问题。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。