CN105674892B - 中继式飞秒脉冲高精度位移探测方法 - Google Patents

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Abstract

中继式飞秒脉冲高精度位移探测方法属于引力波探测领域，该方法采用了脉冲时域锁定式中继测量结构，通过三个飞秒锁相中继器的级联对测量光的光功率进行放大，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，实现了外太阳系尺度的超远距离动态位移探测；通过光延迟线扫描实现了亚纳米级位移探测灵敏度；测量端和三个飞秒锁相中继器之间相对独立，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

中继式飞秒脉冲高精度位移探测方法
技术领域
本发明属于引力波探测领域，主要涉及一种外太阳系尺度超远距离高精度飞秒激光脉冲位移探测方法。
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，Journal of Geodynamics第34卷第三期发表文章《Asynchronous laser transponders for precise interplanetary ranging andtime transfer》；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，Physical Review D第67卷第12期发表文章《Implementation of time-delay interferometry for LISA》；又如2012年，Journal ofGeodesy第86卷第12期发表文章《Intersatellite laser ranging instrument for theGRACE follow-on mission》，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，Nature Photonics第4卷第10期发表文章《Time-of-flight measurement with femtosecond light pulses》；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外太阳系尺度超远距离高精度位移探测方法。
发明内容
本发明针对上述方法精度较低、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，提出并设计了一种中继式飞秒脉冲高精度位移探测方法。采用了脉冲时域锁定式中继测量结构，实现了外太阳系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卫星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：
一种中继式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，由飞秒激光器发出的飞秒激光脉冲序列经过一号偏振分光镜后分为两束，其中一束作为测量信号A发射向一号飞秒锁相中继器，另一束作为参考信号由平衡光电探测单元进行探测；
b、一号飞秒锁相中继器对探测到的测量信号A进行有源功率放大，并将测量信号B发射向二号飞秒锁相中继器，同时保证测量信号A和测量信号B之间的脉冲序列在时域上精确重叠并互锁；
c、二号飞秒锁相中继器对探测到的测量信号B进行有源功率放大，并将测量信号C发射向三号飞秒锁相中继器，同时保证测量信号B和测量信号C之间的脉冲序列在时域上精确重叠并互锁；
d、三号飞秒锁相中继器对探测到的测量信号C进行有源功率放大，并将回光信号发射回测量端，同时保证测量信号C和回光信号之间的脉冲序列在时域上精确重叠并互锁；
e、在测量端，接收到的回光信号与参考信号一同由平衡光电探测单元进行探测，并将产生的反馈信号输出至控制单元；控制单元产生控制信号驱动精密位移台沿精密直线导轨运动，通过光延迟线扫描的方式对参考信号的光程进行反馈控制，使得回光信号和参考信号的脉冲序列在时域上精确重叠并互锁；
f、在测量端，当回光信号和参考信号已经锁定后，若测量端和二号飞秒锁相中继器之间产生相对位移，将导致回光信号和参考信号在时域上产生偏差；控制单元控制精密位移台改变参考信号光程，直至回光信号和本地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。
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中继测量结构，通过三个飞秒锁相中继器的级联对测量光的光功率进行放大，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，通过光延迟线扫描对参考信号光程进行反馈控制，实现了外太阳系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。
(2)测量端和三个飞秒锁相中继器之间相对独立，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。
附图说明
图1为本发明的原理示意图。
图中件号说明：1控制单元、2反射镜、3精密直线导轨、4精密位移台、5一号偏振分光镜、6一号飞秒锁相中继器、7二号飞秒锁相中继器、8三号飞秒锁相中继器、9二号偏振分光镜、10平衡光电探测单元、11飞秒激光器。
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。
本实施例的中继式飞秒脉冲高精度位移探测方法，图1为其原理示意图，该方法步骤如下：
a、在测量端，由飞秒激光器11发出的飞秒激光脉冲序列，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。该光束经过一号偏振分光镜5后分为两束，被透射的一束作为测量信号A，记为Sma，发射向一号飞秒锁相中继器6，被反射的一束作为参考信号，记为Sr，射向反射镜2后沿原光路返回，又经过一号偏振分光镜5和二号偏振分光镜9射向平衡光电探测单元10；反射镜2固定在精密位移台4上，精密位移台4位于在精密直线导轨3上。
b、步骤a中的Sma经过约2.7亿公里的传播后，由一号飞秒锁相中继器6接收，经过滤波整形和有源功率放大后，作为测量信号B，记为Smb，沿原方向发射向二号飞秒锁相中继器7；同时，利用周期性极化晶体的非线性效应和双折射效应对Smb的脉冲重复频率进行反馈控制，保证Sma和Smb之间的脉冲在时域上精确重叠并互锁。
c、步骤b中的Smb经过约2.7亿公里的传播后，由二号飞秒锁相中继器7接收，经过滤波整形和有源功率放大后，作为测量信号C，记为Smc，沿反方向发射向三号飞秒锁相中继器8；同时，利用周期性极化晶体的非线性效应和双折射效应对Smc的脉冲重复频率进行反馈控制，保证Smb和Smc之间的脉冲在时域上精确重叠并互锁。
d、步骤c中的Smc经过约2.7亿公里的传播后，由三号飞秒锁相中继器8接收，经过滤波整形和有源功率放大后，作为回光信号，记为Sb，发射向测量端；同时，利用周期性极化晶体的非线性效应和双折射效应对Sb的脉冲重复频率进行反馈控制，保证Smc和Sb之间的脉冲在时域上精确重叠并互锁。
e、步骤d中的Sb经过约2.7亿公里的传播后，由测量端接收，接收到的Sb经过二号偏振分光镜9后与Sr一同由平衡光电探测单元10进行探测，并将产生的反馈信号输出至控制单元1；控制单元1产生控制信号驱动精密位移台4沿精密直线导轨3运动，通过光延迟线扫描的方式对Sr的光程进行反馈控制，使得Sb和Sr的脉冲在时域上精确重叠并互锁。
f、在测量端，当Sb和Sr已经锁定后，若测量端和二号飞秒锁相中继器7之间产生相对位移ΔD，将导致Sb和Sr在时域上产生偏差；控制单元1产生近似直流的控制信号，控制精密位移台4改变参考信号光程，直至Sb和Sr的脉冲序列重新锁定，则精密位移台4产生的位移量即为被测位移量：
其中，反馈电压U＝1.03mV，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51.5nm，其阿伦方差在亚纳米水平。

Claims (1)

1.一种中继式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，由飞秒激光器(11)发出的飞秒激光脉冲序列经过一号偏振分光镜(5)后分为两束，其中一束作为测量信号A发射向一号飞秒锁相中继器(6)，另一束作为参考信号由平衡光电探测单元(10)进行探测；
b、一号飞秒锁相中继器(6)对探测到的测量信号A进行有源功率放大，并将测量信号B发射向二号飞秒锁相中继器(7)，同时保证测量信号A和测量信号B之间的脉冲序列在时域上精确重叠并互锁；
c、二号飞秒锁相中继器(7)对探测到的测量信号B进行有源功率放大，并将测量信号C发射向三号飞秒锁相中继器(8)，同时保证测量信号B和测量信号C之间的脉冲序列在时域上精确重叠并互锁；
d、三号飞秒锁相中继器(8)对探测到的测量信号C进行有源功率放大，并将回光信号发射回测量端，同时保证测量信号C和回光信号之间的脉冲序列在时域上精确重叠并互锁；
e、在测量端，接收到的回光信号与参考信号一同由平衡光电探测单元(10)进行探测，并将产生的反馈信号输出至控制单元(1)；控制单元(1)产生控制信号驱动精密位移台(4)沿精密直线导轨(3)运动，通过光延迟线扫描的方式对参考信号的光程进行反馈控制，使得回光信号和参考信号的脉冲序列在时域上精确重叠并互锁；
f、在测量端，当回光信号和参考信号已经锁定后，若测量端和二号飞秒锁相中继器(7)之间产生相对位移，将导致回光信号和参考信号在时域上产生偏差；控制单元(1)控制精密位移台(4)改变参考信号光程，直至回光信号和本地参考信号的脉冲序列重新锁定，则精密位移台(4)产生的位移量即为被测位移量。
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