RU2167437C1 - Gravitation-wave detector - Google Patents
Gravitation-wave detector Download PDFInfo
- Publication number
- RU2167437C1 RU2167437C1 RU99125250A RU99125250A RU2167437C1 RU 2167437 C1 RU2167437 C1 RU 2167437C1 RU 99125250 A RU99125250 A RU 99125250A RU 99125250 A RU99125250 A RU 99125250A RU 2167437 C1 RU2167437 C1 RU 2167437C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- reflector
- gravitation
- output
- signal
- wave
- Prior art date
Links
Landscapes
- Lasers (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к лазерно-интерферометрическим гравитационно-волновым (ГВ) детекторам и может быть использовано в гравитационно-волновой астрономии, например, для обнаружения периодических низкочастотных гравитационно-волновых сигналов от двойных астрофизических объектов. The invention relates to laser-interferometric gravitational-wave (GW) detectors and can be used in gravitational-wave astronomy, for example, to detect periodic low-frequency gravitational-wave signals from double astrophysical objects.
Известно, что существует теоретическое предсказание о формировании эластодинамического отклика веберовского детектора [1] и электродинамического отклика длиннобазовых [1] и компактных [2] лазерно-интерферометрических антенн на воздействие поля гравитационного излучения (ГИ). ГВ-антенны веберовского типа и длиннобазовые лазерно-интерферометрические антенны предназначены для обнаружения коротких импульсных ГВ-сигналов от вспышечных источников, пространственно-временные характеристики которых неизвестны, что уменьшает достоверность их обнаружения. Требуемое мгновенное отношение сигнал/шум для уверенного обнаружения ГВ- сигнала от вспышечного источника ГИ должно быть больше 1. It is known that there is a theoretical prediction about the formation of the elastodynamic response of the Weber detector [1] and the electrodynamic response of long-base [1] and compact [2] laser interferometric antennas to the effect of the gravitational radiation (GI) field. Weber-type GW antennas and long-base laser interferometric antennas are designed to detect short pulsed GW signals from flash sources, the spatio-temporal characteristics of which are unknown, which reduces the reliability of their detection. The required instantaneous signal-to-noise ratio for reliable detection of the GW signal from the flash source of the GI should be greater than 1.
Известен [3] ГВ-детектор для обнаружения периодических низкочастотных ГВ-сигналов от двойных астрофизических объектов, который является наиболее близким к заявляемому объекту и поэтому выбран в качестве прототипа. Он представляет собой лазер с двумя геометрически неэквивалентными оптическими резонаторами бегущих волн, построенными на одних и тех же отражательных элементах, и содержит активный элемент и рабочую среду в нем, первый и второй глухие голограммные дифракционные отражатели, глухой отражатель, глухой отражатель с пьезоэлементом на его обратной стороне, полупрозрачное зеркало с тонкой дифракционной решеткой на его обратной стороне, полупрозрачное зеркало, первую и вторую поляризационные призмы, фазовый модулятор, первый и второй поляризаторы, первый фотодетектор с блоком частотной автоподстройки на его выходе, второй фотодетектор с блоком фазовой автоподстройки на его выходе и третий фотодетектор с блоком оптимальной обработки сигналов на его выходе, являющемся выходом устройства. Размещенные последовательно на пути оптического излучения активный элемент, глухой отражатель, второй глухой голограммный дифракционный отражатель, первая поляризационная призма, фазовый модулятор, первый глухой голограммный дифракционный отражатель, полупрозрачное зеркало с тонкой дифракционной решеткой на его обратной стороне и глухой отражатель с пьезоэлементом на его обратной стороне образуют оптический опорный резонатор бегущих волн. Активный элемент, глухой отражатель, второй глухой голограммный дифракционный отражатель, глухой отражатель с пьезоэлементом на его обратной стороне, вторая поляризационная призма, первый глухой голограммный дифракционный отражатель, полупрозрачное зеркало с тонкой дифракционной решеткой на его обратной стороне образуют оптический сигнальный резонатор бегущих волн. Первый и второй глухие голограммные дифракционные отражатели, глухой отражатель, глухой отражатель с пьезоэлементом на его обратной стороне и полупрозрачное зеркало с тонкой дифракционной решеткой на его обратной стороне размещены в вершинах правильного пятиугольника. Выход полупрозрачного зеркала с тонкой дифракционной решеткой на его обратной стороне через первый поляризатор оптически связан со входом первого фотодетектора. Выход полупрозрачного зеркала с тонкой дифракционной решеткой на его обратной стороне через второй поляризатор и полупрозрачное зеркало параллельно оптически связан также со входами второго и третьего фотодетекторов. Выходы блоков частотной и фазовой автоподстройки подключены к управляемым входам пьезоэлемента и фазового модулятора, соответственно. Плоскости пропускания поляризационных призм взаимно ортогональны. Оптические излучения опорного и сигнального оптических резонаторов бегущих волн через полупрозрачное зеркало с тонкой дифракционной решеткой на его обратной стороне выходят из вышеупомянутых резонаторов на взаимно ортогональных линейных поляризациях. Выходные оптические излучения после прохождения через поляризаторы получают возможность образовывать интерференционные поля на входах фотодетекторов. Фотодетекторы предназначены для регистрации изменения интерференционного поля, возникающего в результате изменения разности фаз в оптических излучениях резонаторов, которое в свою очередь возникает в результате ГВ-воздействия детектируемого периодического низкочастотного ГВ-сигнала. Known [3] a GW detector for detecting periodic low-frequency GW signals from binary astrophysical objects, which is closest to the claimed object and therefore is selected as a prototype. It is a laser with two geometrically nonequivalent traveling-wave optical resonators built on the same reflective elements, and contains an active element and a working medium in it, the first and second deaf hologram diffraction reflectors, a deaf reflector, a deaf reflector with a piezoelectric element on its back side, a translucent mirror with a thin diffraction grating on its reverse side, a translucent mirror, first and second polarizing prisms, a phase modulator, first and second polar congestion, a first photodetector with a frequency-locked loop at its output, a second photodetector with a phase-locked loop at its output, and a third photodetector with an optimal signal processing block at its output, which is the output of the device. The active element, the deaf reflector, the second deaf hologram holographic reflector, the first polarizing prism, the phase modulator, the first deaf hologram holographic reflector, the translucent mirror with a thin diffraction grating on its back side and the deaf reflector with a piezoelectric element on its back side are placed in series on the path of optical radiation form an optical reference resonator of traveling waves. The active element, a blank reflector, a second blank hologram diffraction reflector, a blank reflector with a piezoelectric element on its reverse side, a second polarizing prism, a first blank hologram diffraction reflector, a translucent mirror with a thin diffraction grating on its back form an optical signal resonator of traveling waves. The first and second deaf hologram diffraction reflectors, a deaf reflector, a deaf reflector with a piezoelectric element on its reverse side and a translucent mirror with a thin diffraction grating on its reverse side are located at the vertices of a regular pentagon. The output of a semitransparent mirror with a thin diffraction grating on its reverse side through the first polarizer is optically coupled to the input of the first photodetector. The output of a semitransparent mirror with a thin diffraction grating on its reverse side through a second polarizer and a semitransparent mirror is also optically coupled in parallel with the inputs of the second and third photodetectors. The outputs of the frequency and phase lock blocks are connected to the controlled inputs of the piezoelectric element and phase modulator, respectively. The transmission planes of polarizing prisms are mutually orthogonal. The optical radiation of the reference and signal optical resonators of the traveling waves through a semitransparent mirror with a thin diffraction grating on its reverse side comes out of the aforementioned resonators on mutually orthogonal linear polarizations. The output optical radiation after passing through the polarizers get the opportunity to form interference fields at the inputs of the photodetectors. Photodetectors are designed to detect changes in the interference field resulting from changes in the phase difference in the optical radiation of the resonators, which in turn occurs as a result of the GW action of the detected periodic low-frequency GW signal.
Принцип действия такого ГВ-детектора заключается в том, что в результате ГВ-воздействия детектируемого периодического низкочастотного ГВ-сигнала на оптическое излучение опорного и сигнального оптических резонаторов бегущих волн через изменение их показателей преломления вдоль оптических путей распространения излучения происходит набег фаз в оптических излучениях по закону изменения ГВ-сигнала. В силу геометрической неэквивалентности опорного и сигнального резонаторов это воздействие приводит к различным изменениям показателей преломления вдоль оптических путей распространения излучений, а следовательно, и к различным набегам фаз в этих оптических излучениях. По наличию, величине и закону изменения разности набегов фаз в оптических излучениях резонаторов и судят о воздействии ГВ-сигнала на оптические излучения резонаторов, а следовательно, о наличии (обнаружении) детектируемого ГВ-сигнала. Таким образом, известное устройство-прототип [3] имеет принципиальную возможность по обнаружению периодических низкочастных ГВ-сигналов от двойных релятивистских астрофизических объектов. The principle of operation of such a GW detector is that as a result of the GW action of the detected periodic low-frequency GW signal on the optical radiation of the reference and signal optical resonators of traveling waves through a change in their refractive indices along the optical propagation paths of radiation, the phase incurses in optical radiation according to the law changes in the GV signal. Due to the geometric nonequivalence of the reference and signal resonators, this effect leads to various changes in the refractive indices along the optical paths of radiation propagation and, consequently, to different phase incursions in these optical radiations. By the presence, magnitude and law of variation of the phase difference difference in the optical radiation of the resonators, the effect of the GW signal on the optical radiation of the resonators is judged, and therefore the presence (detection) of the detected GW signal. Thus, the known prototype device [3] has the fundamental possibility of detecting periodic low-frequency GW signals from double relativistic astrophysical objects.
Однако, прототип имеет существенный недостаток - отношение сигнал/шум на его выходе зависит от направления прихода гравитационной волны: при совпадении плоскости основания, на которой размещены элементы оптической части двухрезонаторной системы, с фазовым фронтом обнаруживаемого ГВ-сигнала отсутствует ГВ-воздействие на оптическое излучение внешнего (опорного) резонатора в силу симметричности конфигурации пятиугольника, и поэтому полезный сигнал на выходе третьего фотодетектора имеет максимальное значение. При других угловых направлениях (это будет как правило) на источники периодических низкочастотных ГВ-сигналов эта симметрия нарушается, и поэтому в опорном резонаторе будет присутствовать воздействие ГВ-сигнала на его оптическое излучение. Это приведет к тому, что полезный сигнал на выходе фотодетектора будет уменьшен (не менее чем в два раза) на величину ГВ- воздействия обнаруживаемого ГВ-сигнала на оптическое излучение в опорном резонаторе. Поэтому время накопления обнаруживаемого ГВ- сигнала в блоке оптимальной обработки сигналов для получения необходимого отношения сигнал/шум увеличится не менее чем в 4 раза. Учитывая то обстоятельство, что период ГВ-сигналов Tg от двойных астрофизических объектов около 103 с и более [4], то увеличение времени накопления в 4 раза и более может оказаться существенным.However, the prototype has a significant drawback - the signal-to-noise ratio at its output depends on the direction of arrival of the gravitational wave: when the base plane, on which the elements of the optical part of the two-cavity system are located, coincides with the phase front of the detected HV signal, there is no HV effect on the optical radiation of the external (reference) resonator due to the symmetry of the pentagon configuration, and therefore, the useful signal at the output of the third photodetector has a maximum value. For other angular directions (this will usually be the case) to the sources of periodic low-frequency GW signals, this symmetry is broken, and therefore, the influence of the GW signal on its optical radiation will be present in the reference resonator. This will lead to the fact that the useful signal at the output of the photodetector will be reduced (by at least two times) by the magnitude of the GW effect of the detected GW signal on the optical radiation in the reference resonator. Therefore, the accumulation time of the detected HV signal in the block of optimal signal processing to obtain the necessary signal-to-noise ratio will increase by at least 4 times. Considering the fact that the period of GW signals T g from binary astrophysical objects is about 10 3 s or more [4], an increase in the accumulation time by 4 times or more may turn out to be significant.
Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в получении следующего технического результата: разработка гравитационно-волнового детектора, выходное отношение сигнал/шум которого не зависит от ориентации ГВ-детектора относительно источника ГВ-сигналов. The problem to which the invention is directed is to obtain the following technical result: the development of a gravitational-wave detector, the output signal-to-noise ratio of which does not depend on the orientation of the GV detector relative to the source of GV signals.
Сущность изобретения заключается в том, что в известный гравитационно-волновой детектор, содержащий активный элемент и рабочую среду в нем, первый и второй глухие голограммные дифракционные отражатели, глухой отражатель, глухой отражатель с пьезоэлементом на его обратной стороне, полупрозрачное зеркало с тонкой дифракционной решеткой на его обратной стороне и полупрозрачное зеркало, первую и вторую поляризационные призмы, фазовый модулятор, первый и второй поляризаторы, первый фотодетектор с блоком частотной автоподстройки на его выходе, второй фотодетектор с блоком фазовой автоподстройки на его выходе и третий фотодетектор с блоком оптимальной обработки сигналов на его выходе, являющимся выходом устройства, причем размещенные последовательно на пути оптического излучения активный элемент, глухой отражатель, второй глухой голограммный дифракционный отражатель, первая поляризационная призма, фазовый модулятор, первый глухой голограммный дифракционный отражатель, полупрозрачное зеркало с тонкой дифракционной решеткой на его обратной стороне и глухой отражатель с пьезоэлементом на его обратной стороне образуют оптический опорный резонатор бегущих волн, а активный элемент, глухой отражатель, второй глухой голограммный дифракционный отражатель, глухой отражатель с пьезоэлементом на его обратной стороне, вторая поляризационная призма, первый глухой голограммный дифракционный отражатель и полупрозрачное зеркало с тонкой дифракционной решеткой на его обратной стороне образуют оптический сигнальный резонатор бегущих волн, при этом первый и второй глухие голограммные дифракционные отражатели, глухой отражатель, глухой отражатель с пьезоэлементом и полупрозрачное зеркало с тонкой дифракционной решеткой на его обратной стороне размещены в вершинах правильного пятиугольника, а выход полупрозрачного зеркала с тонкой дифракционной решеткой на его обратной стороне через первый поляризатор оптически связан со входом первого фотодетектора, кроме того, выход полупрозрачного зеркала с тонкой дифракционной решеткой на его обратной стороне через второй поляризатор и полупрозрачное зеркало параллельно оптически связан с входами второго и третьего фотодетекторов, а выходы блока частотной автоподстройки и блока фазовой автоподстройки подключены к управляемым входам пьезоэлемента и фазового модулятора, соответственно, - для решения поставленной задачи - введена поглощающая ячейка, причем поглощающая ячейка размещена на пути оптического излучения в опорном резонаторе между первой поляризационной призмой и фазовым модулятором. The essence of the invention lies in the fact that in the known gravitational wave detector containing the active element and the working medium in it, the first and second deaf hologram diffraction reflectors, a deaf reflector, a deaf reflector with a piezoelectric element on its back side, a translucent mirror with a thin diffraction grating on its back side and a translucent mirror, the first and second polarizing prisms, a phase modulator, first and second polarizers, the first photodetector with a frequency-locked loop at its output ode, a second photodetector with a phase-locked loop at its output and a third photodetector with an optimal signal processing block at its output, which is the output of the device, the active element being placed in series on the optical radiation path, a blank reflector, a second blank hologram diffraction reflector, a first polarizing prism, phase modulator, first blind hologram diffraction reflector, translucent mirror with a thin diffraction grating on its back and a blind reflector with a piezoelectric element on its reverse side, an optical traveling-wave resonator is formed, and the active element, a deaf reflector, a second deaf hologram diffraction reflector, a deaf reflector with a piezoelectric element on its reverse side, a second polarizing prism, a first deaf hologram diffraction reflector and a translucent thin diffraction mirror a lattice on its reverse side forms an optical signal resonator of traveling waves, with the first and second deaf hologram diffraction reflectors, g a baffle reflector, a baffle reflector with a piezoelectric element and a translucent mirror with a thin diffraction grating on its reverse side are located at the vertices of a regular pentagon, and the output of a semitransparent mirror with a thin diffraction grating on its reverse side is optically connected through the first polarizer to the input of the first photodetector, in addition, the output a semitransparent mirror with a thin diffraction grating on its reverse side through a second polarizer and a translucent mirror in parallel optically connected to the inputs of the of the third and third photodetectors, and the outputs of the frequency-locked loop and phase locked loop are connected to the controlled inputs of the piezoelectric element and phase modulator, respectively, to solve the problem, an absorbing cell is introduced, and the absorbing cell is placed on the path of optical radiation in the reference resonator between the first polarizing prism and phase modulator.
Введение нового элемента - поглощающей ячейки в опорном резонаторе - позволяет достичь решения поставленной задачи - исключения зависимости отношения сигнал/шум на выходе ГВ-детектора от его ориентации относительно источника ГВ-сигналов. The introduction of a new element — an absorbing cell in the reference resonator — makes it possible to achieve the solution of the problem posed — eliminating the dependence of the signal / noise ratio at the output of the GV detector on its orientation with respect to the source of GV signals.
В отличие от известного технического решения - прототипа, где частота излучения опорного резонатора лазерной системы определялась его параметрами (периметром его контура), а ГВ-воздействие приводило к изменению показателя преломления вдоль оптического пути распространения излучения (эквивалентно изменению длины пути - периметра контура), что приводило к набегу фаз (изменению частоты) в оптическом излучении, в заявляемом изобретении благодаря включению поглощающей ячейки в опорный резонатор (на пути его оптического излучения) частота генерации опорного резонатора определяется только собственной частотой излучения атомов поглощающей ячейки, которая под воздействием ГВ-сигнала не изменяется (т.е. отсутствует изменение показателя преломления вдоль оптического пути распространения излучения в опорном резонаторе под действием ГВ-сигнала, следовательно отсутствует набег фаз в оптическом излучении опорного резонатора). Поэтому полезный сигнал на выходе третьего фотодетектора от ориентации основания лазерного резонатора относительно источников гравитационного излучения не изменяется, что исключает необходимость длительного времени наблюдения (накопления). In contrast to the well-known technical solution, the prototype, where the radiation frequency of the reference resonator of the laser system was determined by its parameters (the perimeter of its contour), and the GW effect led to a change in the refractive index along the optical path of radiation propagation (equivalent to a change in the path length - the perimeter of the contour) led to a phase incursion (frequency change) in the optical radiation, in the claimed invention due to the inclusion of an absorbing cell in the reference resonator (in the path of its optical radiation) frequency g The response of the reference resonator is determined only by the natural frequency of radiation of the atoms of the absorbing cell, which does not change under the influence of the GW signal (i.e., there is no change in the refractive index along the optical path of radiation propagation in the reference resonator under the influence of the GV signal, therefore there is no phase incursion in optical radiation reference resonator). Therefore, the useful signal at the output of the third photodetector from the orientation of the base of the laser cavity relative to the sources of gravitational radiation does not change, which eliminates the need for a long time of observation (accumulation).
Функциональная схема заявляемого устройства представлена на чертеже. Functional diagram of the inventive device is presented in the drawing.
Глухой отражатель 2 с пьезоэлементом на его обратной стороне, полупрозрачное зеркало 3 с тонкой дифракционной решеткой на его обратной стороне, глухие голограммные дифракционные отражатели 4 и 8, глухой отражатель 9 размещены в вершинах правильного пятиугольника. Активный элемент 1 с рабочей средой в нем, служащий для генерации лазерного излучения, расположен между глухими зеркалами 2 и 9. Активный элемент 1, глухой отражатель 9, второй глухой голограммный дифракционный отражатель 8, первая поляризационная призма 7, фазовый модулятор 5, первый глухой голограммный дифракционный отражатель 4, полупрозрачное зеркало с тонкой дифракционной решеткой на его обратной стороне 3 и глухой отражатель с пьезоэлементом на его обратной стороне 2 образуют оптический опорный резонатор бегущих волн, а активный элемент 1, глухой отражатель 9, второй глухой голограммный дифракционный отражатель 8, глухой отражатель с пьезоэлементом на его обратной стороне 2, вторая поляризационная призма 10, первый глухой голограммный дифракционный отражатель 4 и полупрозрачное зеркало с тонкой дифракционной решеткой на его обратной стороне 3 образуют оптический сигнальный резонатор бегущих волн. A deaf reflector 2 with a piezoelectric element on its reverse side, a translucent mirror 3 with a thin diffraction grating on its reverse side, deaf hologram diffraction reflectors 4 and 8, and a deaf reflector 9 are placed at the vertices of a regular pentagon. The active element 1 with a working medium in it, which serves to generate laser radiation, is located between the deaf mirrors 2 and 9. The active element 1, a deaf reflector 9, a second deaf hologram diffraction reflector 8, a first polarizing prism 7, a phase modulator 7, a first deaf hologram diffraction reflector 4, a translucent mirror with a thin diffraction grating on its reverse side 3 and a blind reflector with a piezoelectric element on its reverse side 2 form an optical reference resonator of traveling waves, and the active element 1, a blind reflector 9, a second blind hologram diffraction reflector 8, a blind reflector with a piezoelectric element on its reverse side 2, a second polarizing prism 10, a first blind hologram diffraction reflector 4 and a translucent mirror with a thin diffraction grating on its reverse side 3 form an optical signal resonator running waves.
Элементы 1, 2, 3, 4, 8 и 9 являются общими для опорного и сигнального резонаторов. На пути оптического излучения в опорном резонаторе между первым 4 и вторым 8 глухими голограммными дифракционными отражателями расположены последовательно фазовый модулятор 5, поглощающая ячейка 6 и первая поляризационная призма 7. Вторая поляризационная призма 10 расположена на пути оптического излучения сигнального резонатора между глухим отражателем 2 и первым дифракционным отражателем 4. Выход полупрозрачного зеркала с тонкой дифракционной решеткой на его обратной стороне 3 (оптический выход резонаторов) через первый поляризатор 11 оптически связан со входом первого фотодетектора 16. Этот же выход через второй поляризатор 11 и через полупрозрачное зеркало 13 параллельно оптически связан со входами второго 17 и третьего 18 фотодетекторов. Выход первого фотодетектора 16 через блок частотной автоподстройки 14 подключен к управляемому входу пьезоэлемента, закрепленного на обратной стороне глухого отражателя 2. Выход второго фотодетектора 17 через блок фазовой автоподстройки 15 подключен к управляемому входу фазового модулятора 5. Выход третьего фотодетектора 18 подключен ко входу блока оптимальной обработки сигнала 19, выход которого является выходом устройства. Elements 1, 2, 3, 4, 8, and 9 are common to the reference and signal resonators. A phase modulator 5, an absorbing cell 6 and a first polarizing prism 7 are arranged in series between the first 4 and the second 8 blank hologram diffraction reflectors on the optical radiation path in the reference resonator. The second polarizing prism 10 is located on the optical radiation path of the signal resonator between the blank reflector 2 and the first diffraction reflector 4. The output of a translucent mirror with a thin diffraction grating on its reverse side 3 (optical output of the resonators) through the first polarizer 11 about optically connected to the input of the first photodetector 16. The same output through the second polarizer 11 and through the translucent mirror 13 is in parallel optically connected to the inputs of the second 17 and third 18 photodetectors. The output of the first photodetector 16 through the frequency-locked loop 14 is connected to the controlled input of the piezoelectric element mounted on the back of the deaf reflector 2. The output of the second photodetector 17 through the phase-locked loop 15 is connected to the controlled input of the phase modulator 5. The output of the third photodetector 18 is connected to the input of the optimal processing unit signal 19, the output of which is the output of the device.
Устройство работает следующим образом. The device operates as follows.
Оптическое излучение с полным набором поляризаций, выходя из активного элемента 1, отражается последовательно от глухого отражателя 2 и полупрозрачного зеркала с тонкой дифракционной решеткой на его обратной стороне 3, попадает на первый голограммный дифракционный отражатель 4, который разделяет оптическое излучение по поляризациям и часть его с ТМ поляризацией, для которой угол падения равен углу отражения, направляет во внешний контур составного резонатора, образованного последовательно из элементов 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 и 9 (опорный резонатор). Другая часть излучения с ТЕ поляризацией, ортогональной ТМ поляризации, для которой угол отражения от голограммного дифракционного отражателя 4 не равен углу падения на него, циркулирует по внутреннему контуру составного резонатора, образованного последовательно из элементов 1, 2, 3, 4, 10, 2, 8 и 9 (сигнальный резонатор). При этом голограммный дифракционный отражатель 8 имеет те же свойства, что и голограммный дифракционный отражатель 4. Первая 7 и вторая 10 поляризационные призмы вычищают оптическое излучение соответственно в опорном и сигнальном резонаторах от излучения с неправильной поляризацией и пропускают далее себя только то излучение, которое обладает строго требуемой поляризацией. При отсутствии поглощающей ячейки 6 частота генерации опорного резонатора равна ω1= Ω1+Δω1, а частота генерации сигнального резонатора равна ω2= Ω2+Δω2, где Ω1 и Ω2 - собственные, не зависящие от гравитационно-волнового воздействия продольные частоты резонаторов, а Δω1 и Δω2 - сдвиги частот генерации опорного и сигнального резонаторов соответственно, обусловленные ГВ-воздействием детектируемого ГВ-сигнала [3]. Для измеряемой разности частот в этом случае будем иметь Δω = ω2-ω1= (Ω2-Ω1)+Δωg, где первое слагаемое задает несущую частоту, а второе слагаемое Δωg= (Δω2-Δω1) определяет величину детектируемого гравитационно-волнового сигнала. При падении гравитационной волны перпендикулярно плоскости основания, на которой размещены элементы оптической схемы, Δω1= 0 [3] и величина Δωg достигает своего максимального значения (Δωg= Δω2), но при других углах падения Δω1≠ 0 и величина детектируемого сигнала уменьшается. Применение поглощающей ячейки 6, которая представляет собой кювету с разреженным газом, линия поглощения которого совпадает с собственной частотой излучения атомов активной среды [5], делает частоту генерации в опорном резонаторе равной ω1= ωo, где ωo - собственная частота атомов поглощающей ячейки, которая не зависит от гравитационно-волнового излучения. Для измеряемой разности частот в этом случае будем иметь Δω = (Ω2-ωo)+Δωg, причем Δωg= Δω2 при любом угле падения гравитационной волны, т.е. благодаря поглощающей ячейке 6 величина детектируемого ГВ-сигнала всегда имеет максимальное значение. Для вывода оптических излучений из резонаторов и измерения разности частот Δω используют полупрозрачное зеркало 3 с тонкой дифракционной решеткой на его обратной стороне. Эта дифракционная решетка обеспечивает распространение оптических излучений с ТЕ и ТМ поляризациями по двум направлениям: к первому 11 и второму 12 поляризаторам, у которых плоскости пропускания линейно поляризованного излучения образуют угол 45o с плоскостью рисунка. После прохождения поляризаторов 11 и 12 оптические излучения от сигнального и опорного резонаторов образуют интерференционные поля, которые регистрируются первым фотодетектором 16 и (благодаря полупрозрачному зеркалу 13) вторым 17 и третьим 18 фотодетекторами. Напряжение с фотодетектора 16 поступает в блок частотной автоподстройки 14, который управляет работой пьезоэлемента, закрепленного на обратной стороне глухого отражателя 2. С помощью блока 14 поддерживается заданное значение несущей частоты (включая ноль при Ω2= ωo) [3]. Напряжение с фотодетектора 17 поступает в блок фазовой автоподстройки 15, который управляет работой фазового модулятора 5. С помощью блока 15 минимизируются фазовые шумы, вызванные техническими и естественными флуктуациями разностной частоты [3]. Напряжение с фотодетектора 18 поступает в блок оптимальной обработки сигналов 19, в котором производится когерентное накопление и выделение полезного сигнала из шумов [3].Optical radiation with a full set of polarizations, leaving the active element 1, is reflected sequentially from a deaf reflector 2 and a translucent mirror with a thin diffraction grating on its reverse side 3, and falls on the first hologram diffraction reflector 4, which separates the optical radiation by polarization and part of it with TM polarization, for which the angle of incidence is equal to the angle of reflection, directs to the external circuit of the composite resonator formed sequentially from elements 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 and 9 (reference resonator ) Another part of the radiation with TE polarization orthogonal to the TM polarization, for which the angle of reflection from the hologram diffraction reflector 4 is not equal to the angle of incidence on it, circulates along the inner contour of the composite resonator formed sequentially from elements 1, 2, 3, 4, 10, 2, 8 and 9 (signal resonator). In this case, the hologram diffraction reflector 8 has the same properties as the hologram diffraction reflector 4. The first 7 and second 10 polarizing prisms clean optical radiation in the reference and signal cavities from irregularly polarized radiation and only those radiation that strictly required polarization. In the absence of an absorbing cell 6, the frequency of generation of the reference resonator is ω 1 = Ω 1 + Δω 1 , and the frequency of generation of the signal resonator is ω 2 = Ω 2 + Δω 2 , where Ω 1 and Ω 2 are intrinsic independent of the gravitational-wave action the longitudinal frequencies of the resonators, and Δω 1 and Δω 2 are the frequency shifts of the reference and signal resonators, respectively, due to the HV effect of the detected HV signal [3]. For the measured frequency difference, in this case we have Δω = ω 2 -ω 1 = (Ω 2 -Ω 1 ) + Δω g , where the first term defines the carrier frequency, and the second term Δω g = (Δω 2 -Δω 1 ) determines detectable gravitational wave signal. When a gravitational wave is incident perpendicular to the plane of the base on which the elements of the optical scheme are placed, Δω 1 = 0 [3] and Δω g reaches its maximum value (Δω g = Δω 2 ), but for other incidence angles Δω 1 ≠ 0 and the value of signal decreases. The use of an absorbing cell 6, which is a cell with a rarefied gas, the absorption line of which coincides with the natural frequency of radiation of atoms of the active medium [5], makes the generation frequency in the reference resonator equal to ω 1 = ω o , where ω o is the natural frequency of atoms of the absorbing cell , which is independent of gravitational wave radiation. In this case, for the measured frequency difference, we have Δω = (Ω 2 -ω o ) + Δω g , and Δω g = Δω 2 for any angle of incidence of the gravitational wave, i.e. thanks to the absorbing cell 6, the value of the detected HV signal always has a maximum value. To output optical radiation from the resonators and measure the frequency difference Δω, a translucent mirror 3 is used with a thin diffraction grating on its reverse side. This diffraction grating provides the propagation of optical radiation with TE and TM polarizations in two directions: to the first 11 and second 12 polarizers, in which the transmission planes of linearly polarized radiation form an angle of 45 o with the plane of the figure. After passing through the polarizers 11 and 12, the optical radiation from the signal and reference resonators form interference fields that are detected by the first photodetector 16 and (thanks to the translucent mirror 13) the second 17 and third 18 photodetectors. The voltage from the photodetector 16 is supplied to the frequency self-tuning unit 14, which controls the operation of the piezoelectric element mounted on the back of the deaf reflector 2. Using the unit 14, the set value of the carrier frequency is maintained (including zero at Ω 2 = ω o ) [3]. The voltage from the photodetector 17 enters the phase-locked loop 15, which controls the operation of the phase modulator 5. Using block 15, phase noise caused by technical and natural fluctuations of the difference frequency is minimized [3]. The voltage from the photodetector 18 enters the optimal signal processing unit 19, in which coherent accumulation and extraction of the useful signal from noise is performed [3].
Таким образом, заявляемое устройство выгодно отличается от прототипа тем, что введение на пути оптического излучения в опорный резонатор лазерной системы поглощающей ячейки исключает зависимость отношения сигнал/шум на выходе ГВ-детектора от его ориентации относительно источника гравитационного излучения. Это обусловлено тем, что частота генерации опорного резонатора определяется собственной частотой излучения атомов поглощающей ячейки, которая под воздействием ГВ-сигнала не изменяется (т.е. исключается набег фаз в оптическом излучении опорного резонатора). Отсутствие полезного сигнала в опорном резонаторе приводит к его отсутствию и на выходе третьего фотодетектора, выходной сигнал которого определяется разностью набегов фаз в оптических излучениях опорного и сигнального резонаторов под воздействием ГВ-сигнала. Следовательно, выходной полезный сигнал ГВ-детектора определяется только набегом фаз в сигнальном резонаторе под воздействием детектируемого ГВ-сигнала на его оптическое излучение и не потребуется дополнительное время для накопления, для обеспечения требуемого отношения сигнал/шум. Thus, the claimed device compares favorably with the prototype in that the introduction of an absorbing cell on the path of the optical radiation into the reference cavity of the laser system eliminates the dependence of the signal-to-noise ratio at the output of the GV detector on its orientation with respect to the source of gravitational radiation. This is due to the fact that the frequency of generation of the reference resonator is determined by the natural frequency of radiation of atoms of the absorbing cell, which does not change under the influence of the GW signal (i.e., the phase incursion in the optical radiation of the reference resonator is excluded). The absence of a useful signal in the reference resonator leads to its absence at the output of the third photodetector, the output signal of which is determined by the phase difference in the optical radiation of the reference and signal resonators under the influence of the GW signal. Therefore, the output useful signal of the GV detector is determined only by the phase advance in the signal resonator under the influence of the detected GV signal on its optical radiation and no additional time is required for accumulation to provide the required signal-to-noise ratio.
Источники информации
1. Милюков В.К., Руденко В.Н. // Итоги науки и техники ВИНИТИ АН СССР, серия Астрономия, 1991, т. 41, с. 147-193.Sources of information
1. Milyukov V.K., Rudenko V.N. // Results of science and technology VINITI USSR Academy of Sciences, series Astronomy, 1991, v. 41, p. 147-193.
2. Балакин А. Б. , Кисунько Г.В., Мурзаханов З.Г., Русяев Н.Н. // ДАН СССР, 1991, т. 316, N 5, с. 1122-1125. 2. Balakin A. B., Kisunko G. V., Murzakhanov Z. G., Rusyaev N. N. // DAN USSR, 1991, v. 316, No. 5, p. 1122-1125.
3. Balakin A.B., Murzakhanov Z.G., Skochilov A.F. Gravitation & Cosmology, Moscow, Vol. 5, N 3 (19), 1999 (прототип). 3. Balakin A.B., Murzakhanov Z.G., Skochilov A.F. Gravitation & Cosmology, Moscow, Vol. 5, N 3 (19), 1999 (prototype).
4. G. H. Taylor, R.N. Manchester, A.G. Lyne. // Astrophysical Journal Supplement, 1993, v. 88, p. 529. 4. G. H. Taylor, R.N. Manchester, A.G. Lyne // Astrophysical Journal Supplement, 1993, v. 88, p. 529.
5. Багаев С.Н., Чеботаев В.П. // УФН, 1986, т. 148, N 1, с. 143-178.5 5. Bagaev S.N., Chebotaev V.P. // Physics-Uspekhi, 1986, v. 148, No. 1, p. 143-178.5
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU99125250A RU2167437C1 (en) | 1999-11-30 | 1999-11-30 | Gravitation-wave detector |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU99125250A RU2167437C1 (en) | 1999-11-30 | 1999-11-30 | Gravitation-wave detector |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2167437C1 true RU2167437C1 (en) | 2001-05-20 |
Family
ID=20227568
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU99125250A RU2167437C1 (en) | 1999-11-30 | 1999-11-30 | Gravitation-wave detector |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2167437C1 (en) |
Cited By (19)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2002095451A1 (en) * | 2001-05-21 | 2002-11-28 | Pilkin, Vitaly Evgenievich | Method for generating and receiving gravity waves and device for carrying out said method |
| WO2005010558A1 (en) * | 2003-07-24 | 2005-02-03 | Elchin Nusrat Oglu Khalilov | Gravitational wave recorder |
| US7559149B2 (en) | 2006-11-22 | 2009-07-14 | Technological Resources Pty. Ltd. | Gravity gradiometer |
| US7562461B2 (en) | 2006-11-20 | 2009-07-21 | Technological Resources Pty. Ltd. | Gravity gradiometer |
| US7562460B2 (en) | 2006-11-23 | 2009-07-21 | Technological Resources Pty. Ltd. | Gravity gradiometer |
| US7581327B2 (en) | 2006-11-20 | 2009-09-01 | Technological Recources Pty. Ltd. | Gravity gradiometer |
| US7584544B2 (en) | 2006-11-20 | 2009-09-08 | Technological Resources Pty, Ltd. | Gravity gradiometer |
| US7596876B2 (en) | 2006-11-20 | 2009-10-06 | Technological Resources Pty. Ltd. | Gravity gradiometer |
| WO2009130545A1 (en) * | 2008-04-23 | 2009-10-29 | Trotsenko Pavlo | Method for creating amplified gravitational radiation |
| US7624635B2 (en) | 2006-11-23 | 2009-12-01 | Technological Resources Pty. Ltd. | Gravity gradiometer |
| US7627954B2 (en) | 2006-11-23 | 2009-12-08 | Technological Resources Pty. Ltd. | Gravity gradiometer |
| WO2009150552A1 (en) * | 2008-04-23 | 2009-12-17 | Trotsenko Pavlo | Method 2 for forming gravitational radiation |
| US7637153B2 (en) | 2006-11-23 | 2009-12-29 | Technological Resources Pty. Ltd. | Gravity gradiometer |
| US7714584B2 (en) | 2006-11-20 | 2010-05-11 | Technological Resources Pty. Ltd. | Gravity gradiometer |
| US7784343B2 (en) | 2005-10-06 | 2010-08-31 | Technological Resources Pty. Ltd. | Gravity gradiometer |
| US7823449B2 (en) | 2006-11-23 | 2010-11-02 | Technological Resources Pty, Ltd. | Gravity gradiometer |
| US7849739B2 (en) | 2006-11-23 | 2010-12-14 | Technological Resources Pty. Ltd. | Gravity gradiometer |
| RU2475785C1 (en) * | 2011-09-28 | 2013-02-20 | Научный центр гравитационно-волновых исследований "Дулкын" Академии наук Республики Татарстан | Gravitational wave detector |
| EA034547B1 (en) * | 2017-12-26 | 2020-02-19 | Белых, Иван Григорьевич | Supersensitive laser gravitational wave detector based on two-dimensional prism resonator of "whispering gallery" type |
-
1999
- 1999-11-30 RU RU99125250A patent/RU2167437C1/en active
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| BALAKIN A.B., MURZAKHANOV Z.G., SKOCHILOV A.F. Gravitation & Cosmology. Moskow, 1999, № 3(19), Vol.5. * |
Cited By (28)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2002095451A1 (en) * | 2001-05-21 | 2002-11-28 | Pilkin, Vitaly Evgenievich | Method for generating and receiving gravity waves and device for carrying out said method |
| WO2005010558A1 (en) * | 2003-07-24 | 2005-02-03 | Elchin Nusrat Oglu Khalilov | Gravitational wave recorder |
| US7942054B2 (en) | 2005-10-06 | 2011-05-17 | Technological Resources Pty. Ltd. | Gravity gradiometer |
| US8074515B2 (en) | 2005-10-06 | 2011-12-13 | Technological Resources Pty. Ltd. | Gravity gradiometer |
| US7788974B2 (en) | 2005-10-06 | 2010-09-07 | Technological Resources Pty. Ltd. | Gravity gradiometer |
| US7938003B2 (en) | 2005-10-06 | 2011-05-10 | Technological Resources Pty. Limited | Gravity gradiometer |
| US7823448B2 (en) | 2005-10-06 | 2010-11-02 | Technological Resources Pty. Ltd. | Actuatory and gravity gradiometer |
| US7975544B2 (en) | 2005-10-06 | 2011-07-12 | Technological Resources Pty. Ltd. | Gravity gradiometer |
| US7784343B2 (en) | 2005-10-06 | 2010-08-31 | Technological Resources Pty. Ltd. | Gravity gradiometer |
| US7980130B2 (en) | 2005-10-06 | 2011-07-19 | Technological Resources Pty. Ltd. | Gravity gradiometer |
| US7584544B2 (en) | 2006-11-20 | 2009-09-08 | Technological Resources Pty, Ltd. | Gravity gradiometer |
| US8033170B2 (en) | 2006-11-20 | 2011-10-11 | Technological Resources Pty. Ltd. | Gravity gradiometer |
| US7562461B2 (en) | 2006-11-20 | 2009-07-21 | Technological Resources Pty. Ltd. | Gravity gradiometer |
| US7714584B2 (en) | 2006-11-20 | 2010-05-11 | Technological Resources Pty. Ltd. | Gravity gradiometer |
| US7596876B2 (en) | 2006-11-20 | 2009-10-06 | Technological Resources Pty. Ltd. | Gravity gradiometer |
| US7581327B2 (en) | 2006-11-20 | 2009-09-01 | Technological Recources Pty. Ltd. | Gravity gradiometer |
| US7814790B2 (en) | 2006-11-20 | 2010-10-19 | Technological Resources Pty. Ltd. | Gravity gradiometer |
| US7559149B2 (en) | 2006-11-22 | 2009-07-14 | Technological Resources Pty. Ltd. | Gravity gradiometer |
| US7624635B2 (en) | 2006-11-23 | 2009-12-01 | Technological Resources Pty. Ltd. | Gravity gradiometer |
| US7849739B2 (en) | 2006-11-23 | 2010-12-14 | Technological Resources Pty. Ltd. | Gravity gradiometer |
| US7823449B2 (en) | 2006-11-23 | 2010-11-02 | Technological Resources Pty, Ltd. | Gravity gradiometer |
| US7562460B2 (en) | 2006-11-23 | 2009-07-21 | Technological Resources Pty. Ltd. | Gravity gradiometer |
| US7637153B2 (en) | 2006-11-23 | 2009-12-29 | Technological Resources Pty. Ltd. | Gravity gradiometer |
| US7627954B2 (en) | 2006-11-23 | 2009-12-08 | Technological Resources Pty. Ltd. | Gravity gradiometer |
| WO2009150552A1 (en) * | 2008-04-23 | 2009-12-17 | Trotsenko Pavlo | Method 2 for forming gravitational radiation |
| WO2009130545A1 (en) * | 2008-04-23 | 2009-10-29 | Trotsenko Pavlo | Method for creating amplified gravitational radiation |
| RU2475785C1 (en) * | 2011-09-28 | 2013-02-20 | Научный центр гравитационно-волновых исследований "Дулкын" Академии наук Республики Татарстан | Gravitational wave detector |
| EA034547B1 (en) * | 2017-12-26 | 2020-02-19 | Белых, Иван Григорьевич | Supersensitive laser gravitational wave detector based on two-dimensional prism resonator of "whispering gallery" type |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| RU2167437C1 (en) | Gravitation-wave detector | |
| US5080491A (en) | Laser optical ultarasound detection using two interferometer systems | |
| Shahriar et al. | Direct excitation of microwave-spin dressed states using a laser-excited resonance Raman interaction | |
| US4637027A (en) | Laser light source device | |
| US3656853A (en) | Interferometric system | |
| US3588738A (en) | Frequency stabilized laser | |
| RU2171482C1 (en) | Gravitation-wave detector | |
| CN109782197B (en) | Chip atom sensing realization method and sensor thereof | |
| RU2156481C1 (en) | Gravitation-wave detector | |
| EP3370076B1 (en) | System and method for a cavity magnetometer using a pound-drever-hall detector | |
| EP0354825A1 (en) | Apparatus for coherence reading of an optical sensor | |
| CN110849343A (en) | Single-laser nuclear magnetic resonance gyroscope | |
| WO1994015195A1 (en) | Dispersion interferometer | |
| Dahlquist et al. | Zeeman laser interferometer | |
| US4899345A (en) | Atomic resonance in crossed linear polarization | |
| CN111637833B (en) | Angle measuring system and method based on electromagnetic induction transparent effect of rydberg atoms | |
| US3382759A (en) | Ring laser biased by zeeman frequency offset effect for sensing slow rotations | |
| CN112367080A (en) | High-contrast atomic clock frequency discrimination signal detection system | |
| US4809285A (en) | Correlated emission laser | |
| US3514207A (en) | Device for determining the displacement of a reflecting movable object relative to a fixed object with the use of an optical maser | |
| RU2805002C1 (en) | Optical system of dispersive interferometer | |
| RU2367984C1 (en) | Gravitation-wave detector | |
| RU2454685C1 (en) | Gravitational wave detector | |
| Solomakhin et al. | A dispersion interferometer based on a CO 2 laser | |
| Rudenko et al. | Laser interferometer as a gravitational wave detector |