CN105806306B - 测量空间距离变化的激光干涉仪 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种测量空间距离变化的激光干涉仪，包括激光发生器，所述激光发生器发出的光信号首先通过法拉第隔离器，通过所述法拉第隔离器的光信号依次通过第一、第二电光相位调制器，通过所述电光相位调制器的光信号进入模式过滤器，通过所述模式过滤器的光信号进入分光镜组，所述分光镜组将光信号分成若干束，其中一束光信号传输至激光谐振腔，其他光信号经过光电转换后的电信号分别传输至数据采集系统和激光发生器，在激光谐振腔经过谐振的光信号经过光电转换后的电信号传输至所述数据采集系统。

Description

测量空间距离变化的激光干涉仪
技术领域
本发明涉及一种测量空间距离变化的激光干涉仪，具体为使用凹镜的微小转动探测一定频率范围内空间尺度变化的激光干涉仪，尤其适用于对高频率位置变化的高精度测量。
背景技术
目前，基于激光干涉的高精度测量技术发展，人们已经能在约10^-15米的量级(相当于原子核大小)测量物体的微小位置变化。如最近的激光干涉仪引力波天文台AdvancedLaser Interferometer Gravitational-Wave Observatory(LIGO)报导了首次关于引力波的直接测量，测量到的引力波信号振幅达10^-21，(激光干涉仪臂长4千米)相当于4×10^-18米的位置移动(引力波信号振幅×臂长)[Abbott2016]。LIGO的基本原理是利用测试质量(反射镜)的相对于激光注入方向的水平和垂直方向位移的变化来探测空间距离的形变[LIGO2014]。此外，LIGO或类似仪器(如VIRGO，GEO600，LCGT，KAGRA等等)主要探测频率在10-1000赫兹的空间距离变动，而且干涉仪臂长较长，达4千米。
其他方法和技术在高频空间距离的探测上也有应用，如Goryachev&Tobar在2014年展示了可以用几厘米大小的压电石英体声波谐振器来探测1兆赫兹以上空间距离改变，Arvanitaki等在2013年展示了使用单臂激光谐振腔约束一个纳米量级的微小球体或盘状物体，然后通过测量该微小物体的位置变化来探测空间距离变化。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提出一种较小型仪器，10米到100米量级，用来探测高频(在100千赫兹到500千赫兹)的空间距离改变(或反射镜位置变化)。和其他技术的不同之处在于，我们通过激光腔内反射镜的位置变动引起的高阶激光模式和激光基模的差频信号来探测空间位置变动。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
技术方案：1.激光腔内反射镜的转动可以引起和加强激光腔内的横模(如TEM10)光强。由此产生的TEM10模和注入激光腔的纯TEM00模激光的差频信号可以被用来探测反射镜的转动。探测频率由激光腔内的TEM00模和TEM10模的差频决定。
2.如果在宇宙空间有引力波信号产生并传播到地球，由引力波的交叉偏振引起的力矩会作用在本发明的仪器上，引起激光腔内反射镜的转动，利用1中的方法可以用来探测引力波的强度。探测的引力波主要为105-106赫兹频段。
3.探测频率可调：通过调节照射在干涉仪激光腔内反射镜上的二氧化碳激光功率，进而改变反射镜的曲率半径，本发明仪器的探测频率可以在100千赫兹到500千赫兹间调整。探测的频带带宽由激光腔内TEM10模的带宽决定，在当前设计中约为几百Hz。
采用上述结构设置的测量空间距离变化的激光干涉仪具有以下优点：
探测方法新颖，操作简单，探测频率可调；可以测量很微小的反射镜转动(可达10^-19度)，包括水平方向的转动和竖直方向的转动，探测由此转动对应的引力波振幅最小可达为10^-21。
本发明是一种较小型仪器，10米到100米量级，用来探测高频(在100千赫兹到500千赫兹)的空间距离改变(或反射镜位置变化)。和其他技术的不同之处在于，我们通过激光腔内反射镜的位置变动引起的高阶激光模式和激光基模的差频信号来探测空间位置变动。
附图说明
图1为本发明的结构和光路示意图；
图2为本发明实验参数选取数据表；
图3为理论分析和部分实验获得的仪器灵敏度；
图4为锁腔技术流程图。
图1中：ND:YAG Laser-1064nm ND:YAG激光器；λ/2-半波片；Faraday Isolator–法拉第隔离器；EOM–电光相位调制器；LO–本地振荡器(10MHz,600kHz)；Mode cleaner–模式过滤器；LF–低通滤波器；HVA–高压放大器；Mixer–混频器；PD–光电探测器；Quadrant PD–象限四分仪光电探测器；BS–分光镜；DA–数据采集系统；Mirror–凹镜；Cavity–激光腔。图中由BS连接至DA的线路传输TEM00模激光转换后的电信号。
图2中：λ00激光波长；F激光腔精细度；L激光腔臂长；Rc1激光腔激光注入端反射镜曲率半径；Rc2激光腔末端反射镜曲率半径；ρ反射镜质量密度；R反射镜半径；d反射镜厚度；T环境温度；Pr激光腔内压强；a00激光腔内激光束腰半径；P0注入激光功率。
图3中：横坐标是频率，纵坐标是振幅。图中的曲线由上至下依次是：量子散粒噪声，热噪声，辐射压噪声，黑色点线是总的合噪声。该实验中环境温度为30K，激光功率为100W，反射镜的机械损失很小，声学模品质因子可达108，镜子的直径340mm，厚度200mm。
具体实施方式
为更进一步阐述本发明为达到预定技术目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图和较佳实施例，对本发明的结构、特征以及功效详细说明如下。
如图1、图2、图3、图4所示为本发明的一个实施例，在该实施例中，测量空间距离变化的激光干涉仪，包括激光发生器，激光发生器发出的光信号首先通过法拉第隔离器，通过法拉第隔离器的光信号依次通过第一、第二电光相位调制器，通过电光相位调制器的光信号进入模式过滤器，通过模式过滤器的光信号进入分光镜组，分光镜组将光信号分成若干束，其中一束光信号传输至激光谐振腔，其他光信号经过光电转换后的电信号分别传输至数据采集系统和激光发生器，在激光谐振腔经过谐振的光信号经过光电转换后的电信号传输至数据采集系统。
激光发生器发出的光信号波长为1064nm，激光谐振腔长度为73.9m。
第一、第二电光相位调制器均被振荡器驱动，振荡器频率分别为600kHz和10MHz。
模式过滤器过滤除基模TEM00以外的高阶激光模，过滤之后纯的TEM00模激光进入分光镜组。
从分光镜组传输至激光发生器的电信号经过混频器调解后传输至低通滤波器，经过滤波后的电信号传输至高压放大器，经过放大后的电信号再传输至激光发生器。
分光镜组传输至激光发生器的电信号通过混频解调后，把电信号先通过一个前置放大器，经全通放大5倍后，电信号分为两部分，一部分输出给第二个前置放大器，进行二阶低通滤波后，信号放大50倍，经放大的信号反相后输出给第三个前置放大器，称该信号为B；另一部分直接输出给第三个前置放大器，称该信号为A；然后做差运算A-B，对差信号进行一阶低通滤波，信号放大5倍，再把该信号输出给高压放大器。此处使用的前置放大器既具有滤波功能，又具有信号放大功能。
从模式过滤器引出一束光信号，经过光电转换后传输至混频器，经过混频器调解后的电信号传输至低通滤波器，经过滤波后的电信号传输至高压放大器，经过放大后的电信号再传输至模式过滤器的压电晶体上。
从模式过滤器引出一束光信号，经过光电转换后传输至混频器，经过混频器调解后的电信号传输至振荡器，经过振荡后的电信号再传输至第二电光相位调制器。
从分光镜组传输至激光发生器的光信号经过光电转换后传输至混频器，经过混频器调解后的电信号传输至振荡器，经过振荡后的电信号再传输至高压放大器，经过放大后的电信号再传输至第一电光相位调制器。
在法拉第隔离器的前后光路上均设置有半波片，在第二电光相位调制器后方光路上设置有半波片。
本发明的具体工作流程介绍如下：
使用1064nm波长的Nd:YAG激光，激光首先经过法拉第隔离器，然后通过两个电光相位调制器。相位调制器被本地振荡器驱动，频率分别为600kHz和10MHz，这可以产生相位调制后的激光。该激光束然后被注入到一个模式过滤器，用来过滤除基模(TEM00)以外的高阶激光模。过滤之后，纯的TEM00模激光可以被注入到73.9m长的光学腔内。大约有70％的光可以被注入腔内。我们需要保持激光持续在模式过滤器和光学腔内谐振，这通过经典的Pound-Drever-Hall(PDH)锁腔技术实现。对于模式过滤器的锁腔，首先我们通过光电探测器接收从模式过滤器反射出的光，然后把反射光的电信号和10MHz本地振荡器混合。我们然后使用低频滤波器提取混合后信号的低频部分。这个低频信号经过高压放大器放大后，被传送到模式过滤器的压电晶体上，用来同步模式过滤器和激光TEM00模的共振频率。PDH锁腔技术请参考Black等(2001)。类似地，从光学腔里反射的激光被光电探测器接收到后和600kHz本地振荡器混合。混合后信号经过低频滤波器滤波后被高压放大器放大，放大后信号被送到Nd:YAG激光器上的压电晶体上，达到同步激光的频率和光学腔的共振频率的目的。
这里一个技术上的一个细节是：为了保证腔内激光和注入激光谐振(也就是锁腔)，我们收集到从激光注入端透射出的光信号后，通过混频解调后，把电信号先通过一个前置放大器(preamplifier)，经全通放大5倍后，信号分为两部分，一部分输出给第二个前置放大器，进行二阶低通滤波(截止频率约0.3赫兹)，信号放大50倍，把放大后的信号反相后输出给第三个前置放大器，我们称该信号为B；另一部分作为输入给第三个前置放大器，我们称该信号为A；然后做差运算(也就是A-B)，然后对差信号进行一阶低通滤波(截止频率约1赫兹)，信号放大5倍，再把该信号输出给高压放大器。详细流程图见图3。
在实际实验中，注入到光学腔内的激光功率大约为10W。光学镜的透射率是100ppm，光电探测器的量子效率为0.8。腔内功率可以达到约10kW。输出信号频率由TEM00模和TEM10模的频率差决定，我们可以通过二氧化碳激光照射在激光注入端光学镜的表面，加热该光学镜，改变其曲率半径，进而改变TEM00模和TEM10模的频率差。
图3是理论分析和部分实验获得的仪器灵敏度。实验配置如图1，参数选取如图2。
上面所述只是为了说明本发明，应该理解为本发明并不局限于以上实施例，符合本发明思想的各种变通形式均在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.测量空间距离变化的激光干涉仪，包括激光发生器，所述激光发生器发出的光信号首先通过法拉第隔离器，其特征在于，通过所述法拉第隔离器的光信号依次通过第一、第二电光相位调制器，通过所述电光相位调制器的光信号进入模式过滤器，通过所述模式过滤器的光信号进入分光镜组，所述分光镜组将光信号分成若干束，其中一束光信号传输至激光谐振腔，其他光信号经过光电转换后的电信号分别传输至数据采集系统和激光发生器，在激光谐振腔经过谐振的光信号经过光电转换后的电信号传输至所述数据采集系统。
2.如权利要求1所述的测量空间距离变化的激光干涉仪，其特征在于，所述激光发生器发出的光信号波长为1064nm，所述激光谐振腔长度为73.9m。
3.如权利要求1所述的测量空间距离变化的激光干涉仪，其特征在于，所述第一、第二电光相位调制器均被振荡器驱动，所述振荡器频率分别为600kHz和10MHz。
4.如权利要求1所述的测量空间距离变化的激光干涉仪，其特征在于，所述模式过滤器过滤除基模TEM00以外的高阶激光模，过滤之后纯的TEM00模激光进入所述分光镜组。
5.如权利要求1所述的测量空间距离变化的激光干涉仪，其特征在于，从所述分光镜组传输至激光发生器的电信号经过混频器调解后传输至低通滤波器，经过滤波后的电信号传输至高压放大器，经过放大后的电信号再传输至激光发生器。
6.如权利要求5所述的测量空间距离变化的激光干涉仪，其特征在于，所述分光镜组传输至激光发生器的电信号通过混频解调后，把电信号先通过一个前置放大器，经全通放大5倍后，电信号分为两部分，一部分输出给第二个前置放大器，进行二阶低通滤波后，信号放大50倍，经放大的信号反相后输出给第三个前置放大器，称该信号为B；另一部分直接输出给第三个前置放大器，称该信号为A；然后做差运算A-B，对差信号进行一阶低通滤波，信号放大5倍，再把该信号输出给高压放大器。
7.如权利要求1所述的测量空间距离变化的激光干涉仪，其特征在于，从所述模式过滤器引出一束光信号，经过光电转换后传输至混频器，经过混频器调解后的电信号传输至低通滤波器，经过滤波后的电信号传输至高压放大器，经过放大后的电信号再传输至模式过滤器的压电晶体上。
8.如权利要求3所述的测量空间距离变化的激光干涉仪，其特征在于，从所述模式过滤器引出一束光信号，经过光电转换后传输至混频器，经过混频器调解后的电信号传输至振荡器，经过振荡后的电信号再传输至第二电光相位调制器。
9.如权利要求3所述的测量空间距离变化的激光干涉仪，其特征在于，从所述分光镜组传输至激光发生器的光信号经过光电转换后传输至混频器，经过混频器调解后的电信号传输至振荡器，经过振荡后的电信号再传输至高压放大器，经过放大后的电信号再传输至第一电光相位调制器。
10.如权利要求1所述的测量空间距离变化的激光干涉仪，其特征在于，在所述法拉第隔离器的前后光路上均设置有半波片，在第二电光相位调制器后方光路上设置有半波片。
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