CN105509645A - 双向飞秒脉冲高精度位移探测方法及装置 - Google Patents

Abstract

双向飞秒脉冲高精度位移探测方法及装置属于引力波探测领域，该方法采用了脉冲时域锁定式双向测量结构，将系统回光功率由被测距离的四次方衰减函数变为了平方衰减函数，实现了上亿公里尺度的超远距离动态位移探测，并通过光延迟线扫描实现了亚纳米级的位移探测灵敏度；该装置包括测量端飞秒激光器、测量端分光光路、测量端平衡光电探测单元、测量端控制单元、光延迟线扫描单元、被测端飞秒激光器、被测端分光光路、被测端平衡光电探测单元和被测端控制单元，测量端和被测端相对独立，避免了相距遥远的卫星间的实时通信和高精度时钟同步问题。

Description

双向飞秒脉冲高精度位移探测方法及装置

技术领域

本发明属于引力波探测领域，主要涉及一种超远距离高精度飞秒激光脉冲位移探测方法及装置。

背景技术

多年以来，引力波探测一直是世界各国的研究热点，引力波的探测是对广义相对论预言的直接验证，也是对其核心思想的直接检验，并且对探讨引力场的量子化和大统一模型、研究宇宙起源和演化具有重大意义。引力波的探测直接促成了引力波天文学的诞生，使得用引力波代替传统的电磁波手段观测宇宙成为可能，这可以为我们提供大量过去无法获得的信息，为人们进一步加深对宇宙的理解提供了新的途径。

远距离精密位移探测是引力波探测的核心技术，目前的探测方法多基于激光干涉仪。美国的LIGO、德国的GEO600、意大利的VIRGO和日本的TAMA300等地面引力波探测器，测程可达几十公里；美国的LISA、欧洲的NGO等空间引力波探测器，测程可达数百万公里；中国和欧洲合作的ASTROD等深空引力波探测器测程将达到上亿公里，而其后续任务的测程更远，将在外太阳系尺度上展开精密位移探测。

然而，在上述深空引力波探测任务中，由于测程遥远，以目前的光束整形技术，即使出射光的光束发散角仅为几个微弧度，在到达遥远的目标端时，光斑也将扩散得极其明显；再加上光路中不可避免的光学损耗，测距系统的回光功率与被测距离呈四次方关系剧烈衰减，系统最终探测到的回光能量仅为出射能量中很小的一部分。例如，空间引力波探测项目LISA中的系统回光能量仅为出射光能量的1/10¹⁰，ASTROD中的系统回光能量仅为出射光能量的3/10¹⁴。回光功率过小将会导致测距系统的信噪比大幅度降低，进而测量精度无法满足需求，甚至根本无法测量。

在远距离激光测距领域，如2002年，JournalofGeodynamics第34卷第三期发表文章《Asynchronouslasertranspondersforpreciseinterplanetaryrangingandtimetransfer》；又如2010年，光电工程第37卷第5期发表文章《异步应答激光测距技术》，均在被测端采用异步应答器对测距系统的脉冲功率进行放大，使得系统回光功率由被测距离的四次方衰减函数变为了平方衰减函数，大幅度扩展了系统测程。但是，该方法放大后的脉冲序列与原脉冲序列相比存在时域延迟及时钟不同步的问题，不能在放大脉冲功率的同时保留原脉冲信号的时域信息，只能通过其它手段进行补偿，导致测距精度难以突破毫米量级。且该方法需要在距离遥远的两个测量端之间实现高精度时钟同步和实时通信。

在引力波探测领域，如2003年，PhysicalReviewD第67卷第12期发表文章《Implementationoftime-delayinterferometryforLISA》；又如2012年，JournalofGeodesy第86卷第12期发表文章《IntersatellitelaserranginginstrumentfortheGRACEfollow-onmission》，均提出了双向激光干涉位移探测方法，通过被测端的从属激光器配合测量端的主激光器进行测量，其测程可以达到五百万公里。但是，双向干涉仪仍然无法满足ASTROD等深空引力波探测任务上亿公里的测程需求，且该方法需要距离遥远的两个测量端之间实现实时通信与高精度时钟同步，这在上亿公里的距离尺度上是很难实现的。

近年来，随着飞秒激光技术的发展，飞秒脉冲测距方法逐渐进入了人们的视野。其主要优势在于脉冲能量非常集中，可以在瞬间达到极高的峰值功率。相比于干涉测量和双向干涉测量等连续波测量方法，在相同的激光器平均功率下，系统回光功率可以提高多个甚至十余个量级，因而更适合于超远距离测量。此外，基于飞秒激光的测距方法相比于传统脉冲测距方法而言，可以达到更高的精度。

在飞秒激光测距领域，如2010年，NaturePhotonics第4卷第10期发表文章《Time-of-flightmeasurementwithfemtosecondlightpulses》；又如2012年，物理学报第61卷第24期发表文章《基于飞秒激光平衡光学互相关的任意长绝对距离测量》，均提出一种针对飞秒脉冲的平衡光学互相关方法，通过测量脉冲和参考脉冲之间的时域锁定，实现了纳米量级的测距精度。但在超远距离测量中，该方法尚不足以满足深空引力波探测任务的测程需求，且随着被测距离的增大，其测量误差线性增大，无法满足空间引力波探测任务的精度需求。此外，在超远距离测量中，由于测量光的往返时间很长，极大地影响了测量系统的动态特性，使得该方法只能测量静态目标，无法完成动态测量。

综上所述，目前在引力波探测领域缺少一种基于飞秒激光的超远距离高精度位移探测方法及装置。

发明内容

本发明针对上述方法及装置探测灵敏度较低、测程有待进一步提高、不能测量动态目标以及距离遥远的两个测量端之间难以实现实时通信和高精度时钟同步等问题，提出并设计了一种双向飞秒脉冲高精度位移探测方法及装置。采用了脉冲时域锁定式双向测量结构，实现了上亿公里尺度的超远距离动态位移探测，探测灵敏度可以达到亚纳米量级，同时避免了相距遥远的测量端和被测端之间的实时通信和高精度时钟同步问题。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

一种双向飞秒脉冲高精度位移探测方法，该方法步骤如下：

a、在测量端，由测量端飞秒激光器发出的飞秒激光脉冲序列经过测量端分光光路后分为两束，其中一束作为测量信号发射向遥远的被测端，另一束作为测量端参考信号由测量端平衡光电探测单元进行探测；参考光的光程可以通过光延迟线扫描单元进行调整；

b、在被测端，由被测端飞秒激光器发出的飞秒激光脉冲序列经过被测端分光光路后分为两束，其中一束作为回光信号发射回遥远的测量端，另一束作为被测端参考信号，与被测端接收到的测量信号一同由被测端平衡光电探测单元进行探测；对测量信号和被测端参考信号进行平衡光电探测后产生反馈信号，进而对被测端飞秒激光器的腔长进行反馈控制，通过改变其脉冲重复频率，实现测量信号和被测端参考信号在时域的高精度重叠和锁定；

c、在测量端，接收到的回光信号与测量端参考信号一同由测量端平衡光电探测单元进行探测；对回光信号和测量端参考信号进行平衡光电探测后产生反馈信号，进而通过光延迟线扫描的方式对测量端的参考光程进行反馈控制，实现回光信号和测量端参考信号在时域的高精度重叠和锁定；

d、在测量端，当回光信号和测量端参考信号已经锁定后，若测量端和被测端之间产生相对位移，将导致回光信号和测量端参考信号在时域上产生偏差。测量端控制单元控制光延迟线扫描单元改变参考光光程，使回光信号和测量端参考信号的脉冲序列重新锁定，则精密位移台产生的位移量即为被测位移量。

一种双向飞秒脉冲高精度位移探测装置，其测量端包括测量端飞秒激光器、测量端分光光路、测量端平衡光电探测单元、和测量端控制单元和光延迟线扫描单元；在被测端设置了主动反射器，构成了脉冲时域锁定式双向测量结构；所述主动反射器由被测端飞秒激光器、被测端分光光路、被测端平衡光电探测单元和被测端控制单元组成；所述被测端分光光路的输出光分别指向被测端平衡光电探测单元的输入端和测量端分光光路；被测端平衡光电探测单元的输出端连接到被测端控制单元的输入端；被测端控制单元的输出端连接到被测端飞秒激光器；被测端飞秒激光器的输出光指向被测端分光光路。

所述测量端分光光路的结构是：测量端飞秒激光器发出的激光经过一号四分之一波片和一号偏振分光镜后分为两束；其中一束反射光射向光延迟线扫描单元；另一束透射光经过三号四分之一波片和一号扩束准直器后射向被测端；同时，从光延迟线扫描单元发射过来的激光经过一号偏振分光镜、二分之一波片和二号偏振分光镜后射向测量端平衡光电探测单元；从被测端发射过来的激光经过二号扩束准直器、四号四分之一波片和二号偏振分光镜后，也射向测量端平衡光电探测单元。

所述光延迟线扫描单元的结构是：从测量端分光光路射出的激光经过二号四分之一波片、直角棱镜反射镜、一号角锥反射镜、直角棱镜反射镜、二号角锥反射镜和二号四分之一波片后射回测量端分光光路；其中，一号角锥反射镜固定在精密位移台上，精密位移台位于精密直线导轨上，并连接到一号控制电路的输出端。

所述被测端分光光路的结构是：被测端飞秒激光器发出的激光经过六号四分之一波片和四号偏振分光镜后分为两束；其中一束透射光经过七号四分之一波片和四号扩束准直器后射向测量端；另一束反射光经过三号偏振分光镜后射向被测端平衡光电探测单元；同时，从测量端发射过来的激光先后经过三号扩束准直器、五号四分之一波片和三号偏振分光镜后也射向被测端平衡光电探测单元。

本发明具有以下特点及有益效果：

(1)采用了脉冲时域锁定式双向测量结构，将系统回光功率由被测距离的四次方衰减函数变为了平方衰减函数，实现了上亿公里尺度的超远距离动态位移探测；通过光延迟线扫描的方式对参考信号光程进行反馈控制，位移探测灵敏度可达亚纳米量级；

(2)两个测量端相对独立，避免了相距遥远的测量端和被测端之间的实时通信和高精度时钟同步问题。

附图说明

图1为本发明的总体配置结构示意图。

图2为本发明的装置结构示意图。

图中件号说明：1光延迟线扫描单元、2测量端分光光路、3被测端分光光路、4被测端平衡光电探测单元、5被测端控制单元、6被测端飞秒激光器、7测量端平衡光电探测单元、8测量端飞秒激光器、9测量端控制单元、10精密直线导轨、11精密位移台、12一号角锥反射镜、13直角棱镜反射镜、14二号角锥反射镜、15二号四分之一波片、16一号偏振分光镜、17三号四分之一波片、18一号扩束准直器、19三号扩束准直器、20五号四分之一波片、21三号偏振分光镜、22三号双色镜、23三号透镜、24二号周期性极化晶体、25四号透镜、26四号双色镜、27二号反射镜、28四号光电探测器、29二号减法器、30二号整形电路、31二号控制电路、32六号四分之一波片、33四号偏振分光镜、34七号四分之一波片、35四号扩束准直器、36二号扩束准直器、37四号四分之一波片、38二号偏振分光镜、39一号双色镜、40一号透镜、41一号周期性极化晶体、42二号透镜、43二号双色镜、44一号反射镜、45二号光电探测器、46一号减法器、47一号整形电路、48一号控制电路、49一号四分之一波片、50二分之一波片、51一号光电探测器、52三号光电探测器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明实施例进行详细描述。

本实施例的双向飞秒脉冲高精度位移探测装置，图1为其总体配置结构示意图，图2为其装置结构示意图，该装置的测量端包括测量端飞秒激光器8、测量端分光光路2、测量端平衡光电探测单元7、和测量端控制单元9和光延迟线扫描单元1；在被测端设置了主动反射器，构成了脉冲时域锁定式双向测量结构；所述主动反射器由被测端飞秒激光器6、被测端分光光路3、被测端平衡光电探测单元4和被测端控制单元5组成；所述被测端分光光路3的输出光分别指向被测端平衡光电探测单元4的输入端和测量端分光光路2；被测端平衡光电探测单元4的输出端连接到被测端控制单元5的输入端；被测端控制单元5的输出端连接到被测端飞秒激光器6；被测端飞秒激光器6的输出光指向被测端分光光路3。

所述测量端分光光路2的结构是：测量端飞秒激光器8发出的激光经过一号四分之一波片49和一号偏振分光镜16后分为两束；其中一束反射光射向光延迟线扫描单元1；另一束透射光经过三号四分之一波片17和一号扩束准直器18后射向被测端；同时，从光延迟线扫描单元1发射过来的激光经过一号偏振分光镜16、二分之一波片50和二号偏振分光镜38后射向测量端平衡光电探测单元7；从被测端发射过来的激光经过二号扩束准直器36、四号四分之一波片37和二号偏振分光镜38后，也射向测量端平衡光电探测单元7。

所述光延迟线扫描单元1的结构是：从测量端分光光路2射出的激光经过二号四分之一波片15、直角棱镜反射镜13、一号角锥反射镜12、直角棱镜反射镜13、二号角锥反射镜14和二号四分之一波片15后射回测量端分光光路2；其中，一号角锥反射镜12固定在精密位移台11上，精密位移台11位于精密直线导轨10上，并连接到一号控制电路48的输出端。

所述被测端分光光路3的结构是：被测端飞秒激光器6发出的激光经过六号四分之一波片32和四号偏振分光镜33后分为两束；其中一束透射光经过七号四分之一波片34和四号扩束准直器35后射向测量端；另一束反射光经过三号偏振分光镜21后射向被测端平衡光电探测单元4；同时，从测量端发射过来的激光先后经过三号扩束准直器19、五号四分之一波片20和三号偏振分光镜21后也射向被测端平衡光电探测单元4。

本实施例的双向飞秒脉冲高精度位移探测方法，该方法步骤如下：

a、在测量端，由测量端飞秒激光器8发出的飞秒激光脉冲序列经过一号四分之一波片49后由线偏振光变为了圆偏振光，其波长λ为1550nm；脉冲重复频率f为100MHz；脉冲周期T为10^-8s；脉冲宽度w为10fs。该圆偏振光经过一号偏振分光镜16后分为两束，被透射的P光作为测量信号S_m，经过三号四分之一波片17后变为圆偏振光，再经过一号扩束准直器18的扩束准直后，发射向远方的被测端；被反射的S光作为测量端参考信号S_r，在参考光路中经过二号四分之一波片15后变为圆偏振光，又先后经过直角棱镜反射镜13、一号角锥反射镜12、直角棱镜反射镜13和二号角锥反射镜14的反射后沿原方向返回；反射光经过二号四分之一波片15后变为P光，先后经过一号偏振分光镜16、二分之一波片50和二号偏振分光镜38后射向测量端平衡光电探测单元7。

b、在被测端，步骤a中的S_m经过约2.7亿公里的传播后，由被测端分光光路3接收。探测到的测量信号S_m’经过三号扩束准直器19和五号四分之一波片20后变为P光，又经过三号偏振分光镜21的透射后射向被测端平衡光电探测单元4；由被测端飞秒激光器6发出的飞秒激光脉冲序列经过六号四分之一波片32后由线偏振光变为了圆偏振光，其波长λ’为1550nm；脉冲重复频率f’为100MHz；脉冲周期T’为10^-8s；脉冲宽度w’为10fs。该圆偏振光经过四号偏振分光镜33后分为两束，被透射的P光作为回光信号S_b经过七号四分之一波片34后变为圆偏振光，再经过四号扩束准直器35的扩束准直后，发射回远方的测量端；被反射的S光作为被测端参考信号S_r’，经过三号偏振分光镜21的反射后射向被测端平衡光电探测单元4。

S_m’和S_r’从被测端分光光路3射出后，由被测端平衡光电探测单元4进行探测，先后正反两次经过二号周期性极化晶体24，并分别产生两个波长减半的二次谐波信号；这两个二次谐波信号分别经三号双色镜22和四号双色镜26反射后，由三号光电探测器52和四号光电探测器28分别进行探测，所转化成的电信号在二号减法器29中相减；得到的反馈信号在二号整形电路30中经过滤波、放大和整形后，进入二号控制电路31；由二号控制电路31产生控制信号，对被测端飞秒激光器6的脉冲重复频率进行反馈控制，从而实现S_r’和S_m’在时域上的实时重叠与锁定，亦即S_b和S_m’之间的脉冲时域互锁。

c、在测量端，步骤b中的S_b经过约2.7亿公里的传播后，由测量端分光光路2接收。探测到的回光信号S_b’为圆偏振光，经过二号扩束准直器36和四号四分之一波片37后变为P光，又经过二号偏振分光镜38的透射后射向测量端平衡光电探测单元7。

S_b’和S_r从测量端分光光路2射出后，由测量端平衡光电探测单元7进行探测，先后正反两次经过一号周期性极化晶体41，并分别产生两个波长减半的二次谐波信号；这两个二次谐波信号分别经一号双色镜39和二号双色镜43反射后，由一号光电探测器51和二号光电探测器45分别进行探测，所转化成的电信号在一号减法器46中相减；得到的反馈信号在一号整形电路47中经过滤波、放大和整形后，进入一号控制电路48；由一号控制电路48产生控制信号，对精密位移台11的位置进行反馈控制，进而以亚纳米量级分辨力对测量端的参考光光程进行微调，从而实现S_r和S_b’在时域上的实时重叠与锁定，亦即S_m与S_b’之间的脉冲时域互锁。

d、当测量端和被测端之间产生相对位移ΔD，将导致S_b’和S_r在时域上产生偏差。测量端控制单元9产生近似直流的反馈信号，控制光延迟线扫描单元1改变参考光光程，使S_b’和S_r的脉冲序列重新锁定，则精密位移台11产生的位移量即为被测位移量：

$\mathrm{\Δ}D=\frac{Uc}{2k}---\left(1\right)$

其中，反馈电压U＝3.01mV，c为真空中光速，反馈信号灵敏度k为3mV/fs，则探测到的位移ΔD为150.5nm，其阿伦方差在亚纳米水平。

Claims (2)

1.一种双向飞秒脉冲高精度位移探测方法，其特征在于：该方法步骤如下：

a、在测量端，由测量端飞秒激光器(8)发出的飞秒激光脉冲序列经过测量端分光光路(2)后分为两束，其中一束作为测量信号发射向遥远的被测端，另一束作为测量端参考信号由测量端平衡光电探测单元(7)进行探测；参考光的光程可以通过光延迟线扫描单元(1)进行调整；

b、在被测端，由被测端飞秒激光器(6)发出的飞秒激光脉冲序列经过被测端分光光路(3)后分为两束，其中一束作为回光信号发射回遥远的测量端，另一束作为被测端参考信号，与被测端接收到的测量信号一同由被测端平衡光电探测单元(4)进行探测；对测量信号和被测端参考信号进行平衡光电探测后产生反馈信号，进而对被测端飞秒激光器(6)的腔长进行反馈控制，通过改变其脉冲重复频率，实现测量信号和被测端参考信号在时域的高精度重叠和锁定；

c、在测量端，接收到的回光信号与测量端参考信号一同由测量端平衡光电探测单元(7)进行探测；对回光信号和测量端参考信号进行平衡光电探测后产生反馈信号，进而通过光延迟线扫描的方式对测量端的参考光程进行反馈控制，实现回光信号和测量端参考信号在时域的高精度重叠和锁定；

d、在测量端，当回光信号和测量端参考信号已经锁定后，若测量端和被测端之间产生相对位移，将导致回光信号和测量端参考信号在时域上产生偏差；测量端控制单元(9)控制光延迟线扫描单元(1)改变参考光光程，使回光信号和测量端参考信号的脉冲序列重新锁定，则精密位移台(11)产生的位移量即为被测位移量。

2.一种双向飞秒脉冲高精度位移探测装置，其测量端包括测量端飞秒激光器(8)、测量端分光光路(2)、测量端平衡光电探测单元(7)、测量端控制单元(9)和光延迟线扫描单元(1)；其特征在于：在被测端设置了主动反射器，构成了脉冲时域锁定式双向测量结构；所述主动反射器由被测端飞秒激光器(6)、被测端分光光路(3)、被测端平衡光电探测单元(4)和被测端控制单元(5)组成；所述被测端分光光路(3)的输出光分别指向被测端平衡光电探测单元(4)的输入端和测量端分光光路(2)；被测端平衡光电探测单元(4)的输出端连接到被测端控制单元(5)的输入端；被测端控制单元(5)的输出端连接到被测端飞秒激光器(6)；被测端飞秒激光器(6)的输出光指向被测端分光光路(3)；

所述测量端分光光路(2)的结构是：测量端飞秒激光器(8)发出的激光经过一号四分之一波片(49)和一号偏振分光镜(16)后分为两束；其中一束反射光射向光延迟线扫描单元(1)；另一束透射光经过三号四分之一波片(17)和一号扩束准直器(18)后射向被测端；同时，从光延迟线扫描单元(1)发射过来的激光经过一号偏振分光镜(16)、二分之一波片(50)和二号偏振分光镜(38)后射向测量端平衡光电探测单元(7)；从被测端发射过来的激光经过二号扩束准直器(36)、四号四分之一波片(37)和二号偏振分光镜(38)后，也射向测量端平衡光电探测单元(7)；

所述光延迟线扫描单元(1)的结构是：从测量端分光光路(2)射出的激光经过二号四分之一波片(15)、直角棱镜反射镜(13)、一号角锥反射镜(12)、直角棱镜反射镜(13)、二号角锥反射镜(14)和二号四分之一波片(15)后射回测量端分光光路(2)；其中，一号角锥反射镜(12)固定在精密位移台(11)上，精密位移台(11)位于精密直线导轨(10)上，并连接到一号控制电路(48)的输出端；

所述被测端分光光路(3)的结构是：被测端飞秒激光器(6)发出的激光经过六号四分之一波片(32)和四号偏振分光镜(33)后分为两束；其中一束透射光经过七号四分之一波片(34)和四号扩束准直器(35)后射向测量端；另一束反射光经过三号偏振分光镜(21)后射向被测端平衡光电探测单元(4)；同时，从测量端发射过来的激光先后经过三号扩束准直器(19)、五号四分之一波片(20)和三号偏振分光镜(21)后也射向被测端平衡光电探测单元(4)。