CN105738961A - 基于中继式飞秒脉冲的深空引力波探测方法 - Google Patents

Abstract

基于中继式飞秒脉冲的深空引力波探测方法属于引力波探测领域，该方法通过扫描光延迟线实现对引力波信号的等臂长差动探测，探测灵敏度可以达到亚纳米量级；两个测量臂均采用了脉冲时域锁定式中继测量结构，各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深空引力波探测；测量端与六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

基于中继式飞秒脉冲的深空引力波探测方法

技术领域

本发明属于引力波探测领域，主要涉及一种基于飞秒激光的外太阳系尺度深空引力波探测方法。

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，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，无法实现位移探测。

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深空引力波探测方法。

发明内容

本发明针对上述引力波探测和远距离激光测量方法探测灵敏度较低、测程有待进一步提高、以及距离遥远的测量端之间难以实现实时通信和高精度时钟同步等问题，提出并设计了一种基于中继式飞秒脉冲的深空引力波探测方法。利用五颗卫星在太阳系轨道上构成了等臂长差动探测结构，两个测量臂均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深空引力波探测，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：

一种基于中继式飞秒脉冲的深空引力波探测方法，该方法步骤如下：

a、探测系统的测量端位于主星；一号飞秒锁相中继器和三号飞秒锁相中继器位于从星C；二号飞秒锁相中继器位于从星A；四号飞秒锁相中继器和六号飞秒锁相中继器位于从星D；五号飞秒锁相中继器位于从星B；将主星、从星A、从星B、从星C和从星D按照预设轨道发射，主星与从星A和从星B均匀分布在外太阳系轨道上，构成边长约为5.4亿公里的等边三角形；主星分别与从星A和从星B构成两个等臂长的测量臂，对两个臂长的相对变化进行精密探测；从星C和从星D则分别位于两个测量臂的中点，用于测量光光功率的中继放大。

b、在位于主星的测量端中，飞秒激光器发出的飞秒激光脉冲序列经过分光光路后分为两束；第一束作为测量信号A，记为S_ma，发射向遥远的从星C，第二束作为测量信号A’，记为S_ma’，发射向遥远的从星D。

c、位于从星C的一号飞秒锁相中继器对探测到的S_ma进行有源功率放大，并将测量信号B，记为S_mb，发射向遥远的从星A，同时保证S_ma和S_mb之间的脉冲在时域上精确重叠并互锁；同时，位于从星D的四号飞秒锁相中继器对探测到的S_ma’进行有源功率放大，并将测量信号B’，记为S_mb’，发射向遥远的从星B，同时保证S_ma’和S_mb’之间的脉冲在时域上精确重叠并互锁。

d、位于从星A的二号飞秒锁相中继器对探测到的S_mb进行有源功率放大，并将测量信号C，记为S_mc，发射回遥远的从星C，同时保证S_mb和S_mc之间的脉冲在时域上精确重叠并互锁；同时，位于从星B的五号飞秒锁相中继器对探测到的S_mb’进行有源功率放大，并将测量信号C’，记为S_mc’，发射回遥远的从星D，同时保证S_mb’和S_mc’之间的脉冲在时域上精确重叠并互锁。

e、位于从星C的三号飞秒锁相中继器对探测到的S_mc进行有源功率放大，并将回光信号A，记为S_b，发射回遥远的主星，同时保证S_mc和S_b之间的脉冲在时域上精确重叠并互锁；同时，位于从星D的六号飞秒锁相中继器对探测到的S_mc’进行有源功率放大，并将回光信号B，记为S_b’，发射回遥远的主星，同时保证S_mc’和S_b’之间的脉冲在时域上精确重叠并互锁。

f、在位于主星的测量端中，探测到的S_b和S_b’经过分光光路后一同由平衡光电探测单元进行探测；对S_b和S_b’进行平衡光电探测后产生反馈信号，由控制单元控制精密位移台产生位移，通过光延迟线扫描的方式对S_b’的光程进行反馈控制，实现S_b和S_b’的高精度脉冲时域重叠及互锁。

g、当引力波以合适的角度扫过时，两个测量臂将产生极为微小的反向位移，导致S_b和S_b’在时域上产生偏差；控制单元控制精密位移台改变S_b’的光程，使得S_b和S_b’的脉冲序列重新锁定，则精密位移台产生的位移量即为两个测量臂产生的位移之差，亦即目标引力波信号。

本发明具有以下特点及有益效果：

(1)两个测量臂均采用了脉冲时域锁定式中继测量结构，各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深空引力波探测，探测灵敏度可以达到亚纳米量级。

(2)五颗卫星构成的等臂长探测结构在很大程度上抵消了激光器频率误差带来的影响，通过光延迟线扫描对光程进行反馈控制实现了对引力波信号的差动探测，保证了超远距离位移探测过程中亚纳米量级的探测灵敏度。

(3)位于主星测量端与从星的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飞秒激光器、2四号飞秒锁相中继器、3五号飞秒锁相中继器、4六号飞秒锁相中继器、5一号飞秒锁相中继器、6二号飞秒锁相中继器、7三号飞秒锁相中继器、8分光光路、9平衡光电探测单元、10控制单元、11精密位移台、12精密直线导轨、13角锥反射镜。

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。

本实施例的基于中继式飞秒脉冲的深空引力波探测方法，图1为其原理示意图，该方法步骤如下：

a、探测系统的测量端位于主星；一号飞秒锁相中继器5和三号飞秒锁相中继器7位于从星C；二号飞秒锁相中继器6位于从星A；四号飞秒锁相中继器2和六号飞秒锁相中继器4位于从星D；五号飞秒锁相中继器3位于从星B；将主星、从星A、从星B、从星C和从星D按照预设轨道发射，主星与从星A和从星B均匀分布在外太阳系轨道上，构成边长约为5.4亿公里的等边三角形；主星分别与从星A和从星B构成两个等臂长的测量臂，对两个臂长的相对变化进行精密探测；从星C和从星D则分别位于两个测量臂的中点，用于测量光光功率的中继放大。

b、在位于主星的测量端中，由飞秒激光器1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。该光束经过分光光路8后分为两束，其中一束作为测量信号A，记为S_ma，发射向遥远的从星C；另一束作为测量信号A’，记为S_ma’，发射向遥远的从星D。

c、步骤b中的S_ma经过约2.7亿公里的传播后，由一号飞秒锁相中继器5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S_mb，沿原方向发射向遥远的从星A；利用周期性极化晶体的非线性效应和双折射效应对S_mb的脉冲重复频率进行反馈控制，保证S_ma和S_mb之间的脉冲在时域上精确重叠并互锁。

同时，步骤b中的S_ma’经过约2.7亿公里的传播后，由四号飞秒锁相中继器2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S_mb’，沿原方向发射向遥远的从星B；利用周期性极化晶体的非线性效应和双折射效应对S_mb’的脉冲重复频率进行反馈控制，保证S_ma’和S_mb’之间的脉冲在时域上精确重叠并互锁。

d、步骤c中的S_mb经过约2.7亿公里的传播后，由二号飞秒锁相中继器6接收，经过滤波整形和有源功率放大后，作为测量信号C，记为S_mc，沿反方向发射回遥远的从星C；利用周期性极化晶体的非线性效应和双折射效应对S_mc的脉冲重复频率进行反馈控制，保证S_mb和S_mc之间的脉冲在时域上精确重叠并互锁。

同时，步骤c中的S_mb’经过约2.7亿公里的传播后，由五号飞秒锁相中继器3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S_mc’，沿反方向发射回遥远的从星D；利用周期性极化晶体的非线性效应和双折射效应对S_mc’的脉冲重复频率进行反馈控制，保证S_mb’和S_mc’之间的脉冲在时域上精确重叠并互锁。

e、步骤d中的S_mc经过约2.7亿公里的传播后，由三号飞秒锁相中继器7接收，经过滤波整形和有源功率放大后，作为回光信号A，记为S_b，发射回遥远的主星；利用周期性极化晶体的非线性效应和双折射效应对S_b的脉冲重复频率进行反馈控制，保证S_mc和S_b之间的脉冲在时域上精确重叠并互锁。

同时，步骤d中的S_mc经过约2.7亿公里的传播后，由六号飞秒锁相中继器4接收，经过滤波整形和有源功率放大后，作为回光信号B，记为S_b’，发射回遥远的主星；利用周期性极化晶体的非线性效应和双折射效应对S_b’的脉冲重复频率进行反馈控制，保证S_mc’和S_b’之间的脉冲在时域上精确重叠并互锁。

f、在位于主星的测量端中，探测到的S_b和S_b’经过分光光路8后一同由平衡光电探测单元9进行探测；平衡光电探测单元9产生的反馈信号输出至控制单元10，由控制单元10产生控制信号对精密位移台11的位移进行反馈控制，其位移分辨力在亚纳米量级；进而通过这种扫描光延迟线的方式对S_b’的光程进行反馈控制，实现S_b和S_b’的高精度脉冲时域重叠及互锁。

e、当强度为10^-22的引力波信号以合适的角度扫过时，两个测量臂一个伸长一个缩短，产生的位移差为亚纳米量级。此时，S_b和S_b’的脉冲将在时域上产生偏差，该偏差由平衡光电探测单元9探测，进而导致控制电路10产生相应的近似直流的反馈信号，控制光延迟线进行扫描，对S_b’的光程进行微调，使两个脉冲序列S_b和S_b’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＝12μV，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0.6nm。由于主星到从星A和从星B的距离基本相等，则由原子钟频率不确定度引起的飞秒激光器脉冲周期误差可以在极大程度上得以抵消，使得该方法的位移探测灵敏度可以达到亚纳米水平。

Claims (1)

1.一种基于中继式飞秒脉冲的深空引力波探测方法，其特征在于：该方法步骤如下：

a、探测系统的测量端位于主星；一号飞秒锁相中继器(5)和三号飞秒锁相中继器(7)位于从星C；二号飞秒锁相中继器(6)位于从星A；四号飞秒锁相中继器(2)和六号飞秒锁相中继器(4)位于从星D；五号飞秒锁相中继器(3)位于从星B；将主星、从星A、从星B、从星C和从星D按照预设轨道发射，主星与从星A和从星B均匀分布在外太阳系轨道上，构成边长约为5.4亿公里的等边三角形；主星分别与从星A和从星B构成两个等臂长的测量臂，对两个臂长的相对变化进行精密探测；从星C和从星D则分别位于两个测量臂的中点，用于测量光光功率的中继放大；

b、在位于主星的测量端中，飞秒激光器(1)发出的飞秒激光脉冲序列经过分光光路(8)后分为两束；第一束作为测量信号A，记为S_ma，发射向遥远的从星C；第二束作为测量信号A’，记为S_ma’，发射向遥远的从星D；

c、位于从星C的一号飞秒锁相中继器(5)对探测到的S_ma进行有源功率放大，并将测量信号B，记为S_mb，发射向遥远的从星A，同时保证S_ma和S_mb之间的脉冲在时域上精确重叠并互锁；同时，位于从星D的四号飞秒锁相中继器(2)对探测到的S_ma’进行有源功率放大，并将测量信号B’，记为S_mb’，发射向遥远的从星B，同时保证S_ma’和S_mb’之间的脉冲在时域上精确重叠并互锁；

d、位于从星A的二号飞秒锁相中继器(6)对探测到的S_mb进行有源功率放大，并将测量信号C，记为S_mc，发射回遥远的从星C，同时保证S_mb和S_mc之间的脉冲在时域上精确重叠并互锁；同时，位于从星B的五号飞秒锁相中继器(3)对探测到的S_mb’进行有源功率放大，并将测量信号C’，记为S_mc’，发射回遥远的从星D，同时保证S_mb’和S_mc’之间的脉冲在时域上精确重叠并互锁；

e、位于从星C的三号飞秒锁相中继器(7)对探测到的S_mc进行有源功率放大，并将回光信号A，记为S_b，发射回遥远的主星，同时保证S_mc和S_b之间的脉冲在时域上精确重叠并互锁；同时，位于从星D的六号飞秒锁相中继器(4)对探测到的S_mc’进行有源功率放大，并将回光信号B，记为S_b’，发射回遥远的主星，同时保证S_mc’和S_b’之间的脉冲在时域上精确重叠并互锁；

f、在位于主星的测量端中，探测到的S_b和S_b’经过分光光路(8)后一同由平衡光电探测单元(9)进行探测；对S_b和S_b’进行平衡光电探测后产生反馈信号，由控制单元(10)控制精密位移台(11)产生位移，通过光延迟线扫描的方式对S_b’的光程进行反馈控制，实现S_b和S_b’的高精度脉冲时域重叠及互锁；

g、当引力波以合适的角度扫过时，两个测量臂将产生极为微小的反向位移，导致S_b和S_b’在时域上产生偏差；控制单元(10)控制精密位移台(11)改变S_b’的光程，使得S_b和S_b’的脉冲序列重新锁定，则精密位移台(11)产生的位移量即为两个测量臂产生的位移之差，亦即目标引力波信号。