基于雙向飛秒脈沖的深空引力波探測方法及裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于引力波探測領(lǐng)域，主要涉及一種基于飛秒激光的太陽系尺度深空引力 波探測方法及裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 多年以來，引力波探測一直是世界各國的研究熱點(diǎn)，引力波的探測是對(duì)廣義相對(duì) 論預(yù)言的直接驗(yàn)證，也是對(duì)其核心思想的直接檢驗(yàn)，并且對(duì)探討引力場的量子化和大統(tǒng)一 模型、研究宇宙起源和演化具有重大意義。引力波的探測直接促成了引力波天文學(xué)的誕生， 使得用引力波代替?zhèn)鹘y(tǒng)的電磁波手段觀測宇宙成為可能，這可以為我們提供大量過去無法 獲得的信息，為人們進(jìn)一步加深對(duì)宇宙的理解提供了新的途徑。
[0003] 遠(yuǎn)距離精密位移探測是引力波探測的核心技術(shù)，目前的探測方法多基于激光干涉 儀。美國的LIG0、德國的GE0600、意大利的VIRGO和日本的TAMA300等地面引力波探測器，測 程可達(dá)幾十公里;美國的LISA、歐洲的NG0等空間引力波探測器，測程可達(dá)數(shù)百萬公里沖國 和歐洲合作的ASTR0D等深空引力波探測器測程將達(dá)到上億公里，而其后續(xù)任務(wù)的測程更 遠(yuǎn)，將在外太陽系尺度上展開精密位移探測。
[0004] 然而，在上述深空引力波探測任務(wù)中，由于測程遙遠(yuǎn)，以目前的光束整形技術(shù)，即 使出射光的光束發(fā)散角僅為幾個(gè)微弧度，在到達(dá)遙遠(yuǎn)的目標(biāo)端時(shí)，光斑也將擴(kuò)散得極其明 顯；再加上光路中不可避免的光學(xué)損耗，測距系統(tǒng)的回光功率與被測距離呈四次方關(guān)系劇 烈衰減，系統(tǒng)最終探測到的回光能量僅為出射能量中很小的一部分。例如，空間引力波探測 項(xiàng)目LISA中的系統(tǒng)回光能量僅為出射光能量的1/10 1()，ASTR0D中的系統(tǒng)回光能量僅為出射 光能量的3/1014?；毓夤β蔬^小將會(huì)導(dǎo)致測距系統(tǒng)的信噪比大幅度降低，進(jìn)而測量精度無法 滿足需求，甚至根本無法測量。
[0005] 在遠(yuǎn)距離激光測距領(lǐng)域，如2002年，Journal of Geodynamics第34卷第三期發(fā)表 文章 〈〈Asynchronous laser transponders for precise interplanetary ranging and time transfer》；又如2010年，光電工程第37卷第5期發(fā)表文章《異步應(yīng)答激光測距技術(shù)》， 均在被測端采用異步應(yīng)答器對(duì)測距系統(tǒng)的脈沖功率進(jìn)行放大，使得系統(tǒng)回光功率由被測距 離的四次方衰減函數(shù)變?yōu)榱似椒剿p函數(shù)，大幅度擴(kuò)展了系統(tǒng)測程。但是，該方法放大后的 脈沖序列與原脈沖序列相比存在時(shí)域延遲及時(shí)鐘不同步的問題，不能在放大脈沖功率的同 時(shí)保留原脈沖信號(hào)的時(shí)域信息，只能通過其它手段進(jìn)行補(bǔ)償，導(dǎo)致測距精度難以突破毫米 量級(jí)。且該方法需要在距離遙遠(yuǎn)的兩個(gè)測量端之間實(shí)現(xiàn)高精度時(shí)鐘同步和實(shí)時(shí)通信。
[0006] 在引力波探測領(lǐng)域，如2003年，Physical Review D第67卷第12期發(fā)表文章 《Implementation of time-delay interferometry for LISA》；又如2012年，Journal of Geodesy第86卷第12期發(fā)表文章 〈〈Intersatellite laser ranging instrument for the GRACE follow-on mission》，均提出了雙向激光干涉位移探測方法，通過被測端的從屬激 光器配合測量端的主激光器進(jìn)行測量，其測程可以達(dá)到五百萬公里。但是，雙向干涉儀仍然 無法滿足ASTR0D等深空引力波探測任務(wù)上億公里的測程需求，且該方法需要距離遙遠(yuǎn)的兩 個(gè)測量端之間實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)通信與高精度時(shí)鐘同步，這在上億公里的距離尺度上是很難實(shí)現(xiàn) 的。
[0007] 近年來，隨著飛秒激光技術(shù)的發(fā)展，飛秒脈沖測距方法逐漸進(jìn)入了人們的視野。其 主要優(yōu)勢在于脈沖能量非常集中，可以在瞬間達(dá)到極高的峰值功率。相比于干涉測量和雙 向干涉測量等連續(xù)波測量方法，在相同的激光器平均功率下，系統(tǒng)回光功率可以提高多個(gè) 甚至十余個(gè)量級(jí)，因而更適合于超遠(yuǎn)距離測量。此外，基于飛秒激光的測距方法相比于傳統(tǒng) 脈沖測距方法而言，可以達(dá)到更高的精度。
[0008] 在飛秒激光測距領(lǐng)域，如2010年，Nature Photonics第4卷第10期發(fā)表文章《111116-of-flight measurement with femtosecond light pulses》；又如2012年，物理學(xué)報(bào)第61 卷第24期發(fā)表文章《基于飛秒激光平衡光學(xué)互相關(guān)的任意長絕對(duì)距離測量》，均提出一種針 對(duì)飛秒脈沖的平衡光學(xué)互相關(guān)方法，通過測量脈沖和參考脈沖之間的時(shí)域鎖定，實(shí)現(xiàn)了納 米量級(jí)的測距精度。但在超遠(yuǎn)距離測量中，該方法尚不足以滿足深空引力波探測任務(wù)的測 程需求，且隨著被測距離的增大，其測量誤差線性增大，無法滿足空間引力波探測任務(wù)的精 度需求。此外，在超遠(yuǎn)距離測量中，由于測量光的往返時(shí)間很長，極大地影響了測量系統(tǒng)的 動(dòng)態(tài)特性，使得該方法只能測量靜態(tài)目標(biāo)，無法實(shí)現(xiàn)位移探測。
[0009] 綜上所述，目前在引力波探測領(lǐng)域缺少一種基于飛秒激光的太陽系尺度深空引力 波探測方法及裝置。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010] 本發(fā)明針對(duì)上述引力波探測和遠(yuǎn)距離激光測量方法及裝置探測靈敏度較低、測程 有待進(jìn)一步提高、以及距離遙遠(yuǎn)的測量端之間難以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)通信和高精度時(shí)鐘同步等問 題，提出并設(shè)計(jì)了一種基于雙向飛秒脈沖的深空引力波探測方法及裝置。利用三顆衛(wèi)星在 太陽系軌道上構(gòu)成了等臂長差動(dòng)探測結(jié)構(gòu)，兩個(gè)測量臂均采用了脈沖時(shí)域鎖定式雙向測量 結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了上億公里尺度的深空引力波探測，探測靈敏度可以達(dá)到亞納米量級(jí)，同時(shí)避免 了相距遙遠(yuǎn)的衛(wèi)星之間的實(shí)時(shí)通信和高精度時(shí)鐘同步問題。
[0011] 本發(fā)明的目的通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：
[0012] -種雙向飛秒脈沖高精度位移探測方法，該方法步驟如下：
[0013] a、將主星、從星A和從星B按照預(yù)設(shè)軌道發(fā)射，三顆衛(wèi)星均勻分布在太陽系軌道上， 構(gòu)成邊長約為2.7億公里的等邊三角形；主星分別與從星A和從星B構(gòu)成兩個(gè)等臂長的測量 臂，對(duì)兩個(gè)臂長的相對(duì)變化進(jìn)行精密探測；
[0014] b、在位于主星的測量端中，一號(hào)飛秒激光器發(fā)出的飛秒激光脈沖序列經(jīng)過一號(hào)分 光光路后分為兩束;第一束作為測量信號(hào)A發(fā)射向遙遠(yuǎn)的從星A，第二束作為測量信號(hào)B發(fā)射 向遙遠(yuǎn)的從星B;
[0015] c、在位于從星A的一號(hào)主動(dòng)反射器中，二號(hào)飛秒激光器發(fā)出的飛秒激光脈沖序列 經(jīng)過二號(hào)分光光路后分為兩束;其中一束作為回光信號(hào)A發(fā)射回遙遠(yuǎn)的主星，另一束作為參 考信號(hào)A與探測到的測量信號(hào)A-同由二號(hào)平衡光電探測單元進(jìn)行探測;對(duì)參考信號(hào)A與探 測到的測量信號(hào)A進(jìn)行平衡光電探測后產(chǎn)生反饋信號(hào)，進(jìn)而對(duì)二號(hào)飛秒激光器的腔長進(jìn)行 反饋控制，通過改變其脈沖重復(fù)頻率，實(shí)現(xiàn)參考信號(hào)A與探測到的測量信號(hào)A的高精度脈沖 時(shí)域互鎖；同時(shí)，在位于從星B的二號(hào)主動(dòng)反射器中，三號(hào)飛秒激光器發(fā)出的飛秒激光脈沖 序列經(jīng)過三號(hào)分光光路后分為兩束;其中一束作為回光信號(hào)B發(fā)射回遙遠(yuǎn)的主星，另一束作 為參考信號(hào)B與探測到的測量信號(hào)B-同由三號(hào)平衡光電探測單元進(jìn)行探測;對(duì)參考信號(hào)B 與探測到的測量信號(hào)B進(jìn)行平衡光電探測后產(chǎn)生反饋信號(hào)，進(jìn)而對(duì)三號(hào)飛秒激光器的腔長 進(jìn)行反饋控制，通過改變其脈沖重復(fù)頻率，實(shí)現(xiàn)參考信號(hào)B與探測到的測量信號(hào)B的高精度 脈沖時(shí)域互鎖；
[0016] d、在位于主星的測量端中，探測到的回光信號(hào)A和回光信號(hào)B-同由一號(hào)平衡光電 探測單元進(jìn)行探測；對(duì)回光信號(hào)A和回光信號(hào)B進(jìn)行平衡光電探測后產(chǎn)生反饋信號(hào)，通過光 延遲線掃描的方式對(duì)回光信號(hào)B的光程進(jìn)行反饋控制，實(shí)現(xiàn)回光信號(hào)A和回光信號(hào)B的高精 度脈沖時(shí)域互鎖；
[0017] e、當(dāng)引力波以合適的角度掃過時(shí)，兩個(gè)測量臂都將產(chǎn)生極為微小的反向位移，導(dǎo) 致回光信號(hào)A和回光信號(hào)B在時(shí)域上產(chǎn)生偏差;一號(hào)控制單元控制光延遲線掃描單元改變回 光信號(hào)B的光程，使得回光信號(hào)A和回光信號(hào)B的脈沖序列重新鎖定，則精密位移臺(tái)產(chǎn)生的位 移量即為兩個(gè)測量臂產(chǎn)生的位移之差，亦即目標(biāo)引力波信號(hào)。
[0018] -種基于雙向飛秒脈沖的深空引力波探測裝置，其測量端包括一號(hào)飛秒激光器、 一號(hào)分光光路、一號(hào)平衡光電探測單元、一號(hào)控制單元和光延遲線掃描單元;在兩個(gè)被測端 分別設(shè)置了一號(hào)主動(dòng)反射器和二號(hào)主動(dòng)反射器，構(gòu)成對(duì)引力波信號(hào)的等臂長差動(dòng)探測結(jié) 構(gòu)，兩個(gè)等長的測量臂均采用了脈沖時(shí)域鎖定式雙向測量結(jié)構(gòu);所述一號(hào)主動(dòng)反射器由二 號(hào)飛秒激光器、二號(hào)分光光路、二號(hào)平衡光電探測單元和二號(hào)控制單元組成;二號(hào)飛秒激光 器的輸出光指向二號(hào)分光光路;二號(hào)分光光路的輸出光分別指向測量端和二號(hào)平衡光電探 測單元的輸入端;二號(hào)平衡光電探測單元的輸出端連接到二號(hào)控制單元的輸入端;二號(hào)控 制單元的輸出端連接到二號(hào)飛秒激光器;所述二號(hào)主動(dòng)反射器由三號(hào)飛秒激光器、三號(hào)分 光光路、三號(hào)平衡光電探測單元和三號(hào)控制單元組成;三號(hào)飛秒激光器的輸出光指向三號(hào) 分光光路;三號(hào)分光光路的輸出光分別指向測量端和三號(hào)平衡光電探測單元的輸入端;三 號(hào)平衡光電探測單元的輸出端連接到三號(hào)控制單元的輸入端;三號(hào)控制單元的輸出端連接 到三號(hào)飛秒激光器。
[0019] 所述一號(hào)分光光路的結(jié)構(gòu)是:一號(hào)飛秒