CN106781891A - 引力波实验装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种引力波实验装置，该发明包括激光器，以及声波源，其中，激光器的激光发射端设置有分光镜，分光镜第一光束的出射端设置有第一反射镜，分光镜第二光束的出射端设置有第二反射镜，第一反射镜与分光镜之间形成第一臂，第二反射镜与分光镜之间形成第二臂；分光镜的一侧设置有可获取探测信号的探测器，探测器与第二反射镜分设于分光镜的两侧，分光镜的第一反射镜与第二反射镜之间形成的平面内设置声波源；声波源发出模拟引力波的声波，引起第一臂和第二臂的长度变化，探测器进一步探测因第一臂和第二臂长度改变而引起的光信号。该实验装置可将引力波传播方式和探测原理通过实验装置进行演示，更直观清楚。

Description

引力波实验装置
技术领域
本发明属于实验教学和科普教育领域，尤其涉及通过实验装置模拟及探测引力波原理的实验演示装置。
背景技术
爱因斯坦的广义相对论是近代物理学的基础，一百多年来已经在诸多前沿领域内取得了很多重要成果。其中，引力波是广义相对论最重要的预言，对检验广义相对论本身，揭示其非线性效应等方面都有很重要的意义。一直以来，对引力波的研究还主要停留在理论层面，而由于其信号极其微弱，直接进行实验探测非常困难。随着理论研究的不断深入和实验技术的快速进步，人类对引力波的直接探测也陆续展开。
从20世纪60年代开始，美国物理学家韦伯研究小组首先建成了采用圆柱形铝共振棒的探测器，这是世界上第一个引力波探测器，之后多个国家的研究结构用类似的原理建立了引力波探测器，但由于这类仪器能够达到的灵敏度较低且频带窄，未能成功探测到引力波；另一类基于前苏联科学家哥森史特因和普斯托瓦伊特在1963年提出的干涉仪原理，目前多个国家已经建成了多个激光干涉仪引力波探测器并投入运转。其中，最为典型的是美国的LIGO(Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory)，包括位于利文斯顿的一个臂长为4km和位于汉福德的两个臂长分别为4km和2km的激光干涉仪。2016年2月11日，科学家证实，利用升级后的Advanced-LIGO在2015年9月14日首次探测到两个黑洞合并过程中发出的引力波。通过直接实验观测证实了爱因斯坦广义相对论的最后一项预言，是物理学领域里程碑式的重大发现，开启了人类通过引力波认识宇宙的新纪元。我国也相继提出太极计划、天琴计划、阿里实验计划等大型引力波探测项目，引力波相关问题的研究需要大量青年学生的参与。
但是，目前，由于引力波相关问题理论分析的艰涩难懂，探测系统的复杂昂贵，一直以来，对引力波的研究都仅限于部分物理学家和少数研究结构小范围内，未能在其他研究者和广大学生群体内形成广泛传播和普及教育。随着引力波的首次发现，其对物理学进展的巨大推动也被逐步认识，而如何在高校教学和社会科普中开展引力波相关的知识传播，扩大其影响范围和影响力，也成了物理教学一个需要解决的问题。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种引力波实验装置，该实验装置可将引力波传播方式和探测原理通过实验装置进行演示，更直观清楚。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种引力波实验装置，包括可发射单色光的激光器，以及可模拟引力波源的声波源，其中，激光器的发射端设置有分光镜，分光镜将激光光束分为与激光光束平行以及与激光光束垂直的两束光，其中与激光光束平行的分束光为第一光束，与激光光束垂直的分束光为第二光束，分光镜第一光束的出射端设置有第一反射镜，分光镜第二光束的出射端设置有第二反射镜，第一反射镜与分光镜之间形成第一臂，第二反射镜与分光镜之间形成第二臂；分光镜的一侧设置有可获取探测信号的探测器，探测器与第二反射镜分设于分光镜的两侧，分光镜的第一反射镜与第二反射镜之间形成的平面内设置声波源；声波源发出模拟引力波的声波，引起第一臂和第二臂的长短变化，探测器进一步检测因第一臂和第二臂的臂长变化而引起的光信号。
作为本发明的进一步优化，声波源为间隔设置的两个具有磁性力的球面声源体，声源体的底部设置有底座，底座内嵌有磁悬浮线圈，以将声源体悬浮于底座上；底座的底部连接有电机，以驱动底座圆周运动。
作为本发明的进一步优化，第一反射镜与分光镜之间设置有第三反射镜，第二反射镜与分光镜之间设置有第四反射镜，以延长第一臂和第二臂的实际臂长。
作为本发明的进一步优化，激光器与分光镜之间设置有垂直于激光光束的凹面反射镜，凹面反射镜的凹面设置于分光镜侧，平面设置于激光器侧，激光光束从凹面反射镜的平面射入并从凹面反射镜的凹面出射至分光镜上，以使凹面反射镜与第三反射镜以及凹面反射镜与第四反射镜之间形成法布里-珀罗腔。
作为本发明的进一步优化，第一反射镜和/或第二反射镜为凹面反射镜；第三反射镜和/或第四反射镜为凹面反射镜。
作为本发明的进一步优化，探测器与分光镜之间倾斜设置有半透半反镜，半透半反镜的反射面斜对于激光光束，半透半反镜反射面的侧部设置有相机，从分光镜透过的光束经过半透半反镜后，透过的光束入射至探测器，反射的光束入射至相机中。
作为本发明的进一步优化，激光器与凹面反射镜之间倾斜设置有平面反射镜，以调整光路走向。
作为本发明的进一步优化，探测器外连有示波器，以将探测器探测到的光强信号输入到示波器中显示。
作为本发明的进一步优化，激光器为单纵模输出的氦氖激光器。
作为本发明的进一步优化，引力波实验装置的外部罩设有减噪罩。
与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：
1、本发明的引力波实验装置，其通过双声波源模拟引力波，更直观清楚；
2、本发明的引力波实验装置，设置有激光探测系统，可实时显示模拟声波信号，从而在实验条件下实现对引力波传播方式和探测原理的展示。
附图说明
图1为本发明引力波实验装置的结构示意图；
图2为本发明引力波实验装置的光路图；
图3为本发明中双声波源的原理示意图。
以上各图中：1、激光器；2、分光镜；3、第一反射镜；4、第二反射镜；5、探测器；6、第三反射镜；7、第四反射镜；8、凹面反射镜；9、半透半反镜；10、相机；11、光源体；12、底座；13、转盘；14、电机；15、实验台；16、安装板；17、平面反射镜。
具体实施方式
下面，通过示例性的实施方式对本发明进行具体描述。然而应当理解，在没有进一步叙述的情况下，一个实施方式中的元件、结构和特征也可以有益地结合到其他实施方式中。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图1所示的位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
参见图1，是本发明中引力波实验装置的结构示意图。本发明的引力波实验装置，其用于在教学过程中引力波模拟及探测原理的演示。该引力波实验装置设置于实验台15上，实验台15上间隔一定距离设置有安装板16，安装板16上设置有多个可插设元器件的插孔。
结合图1和图2所示，本发明的引力波实验装置，包括可发射单色光的激光器1，以及可模拟引力波源的声波源11，其中，激光器1的激光发射端设置有分光镜2，分光镜2将激光光束分设为与激光光束平行以及与激光光束垂直的两束光，其中与激光光束平行的分束光为第一光束，与激光光束垂直的分束光为第二光束，分光镜2第一光束的出射端设置有第一反射镜3，分光镜2第二光束的出射端设置有第二反射镜4，第一反射镜3与分光镜2之间形成第一臂，第二反射镜与分光镜之间形成第二臂；分光镜2的一侧设置有可获取探测信号的探测器5，探测器5与第二反射镜4分设于分光镜2的两侧，分光镜2的第一反射镜3与第二反射镜4之间形成的平面内设置声波源11；声波源11发出模拟引力波的声波，引起第一臂和第二臂的长短变化，探测器5进一步检测因第一臂和第二臂的臂长改变而引起的光信号。
本发明的上述引力波实验装置中，通过声波源11模拟引力波传播过程中对时空结构的影响；该声波源11采用双声波源。其原理具体介绍如下：
根据爱因斯坦的广义相对论，时间和空间是紧密联系在一起的，时空就如同一个四维的弹性介质，在有质量物体的作用下，其几何结构会发生弯曲，质量越大，弯曲也越大。引力波就是时空曲率的扰动以行波的形式往外传播，传播速度为真空中的光速。在质量变化非常小的区域，时空近似平直，可以用闵可夫斯基度规表示：
其中，m,n＝0,1,2,3为重复指数。在广义相对论中所描述的时空不再是平直的时空，而是具有曲率的，其时空间隔为：ds2＝gm-ndxmdxn，gm-n为时空度规张量。由于引力波波源非常遥远，传播到地球时已经十分微弱，对时空的影响可以看做在平直时空下的微扰，gm-n可表示为：gm-n＝hm-n+hm-n，其中hm-n为引力波引起的度规张量的扰动，引入引力辐射规范条件TT(transverse&traceless)规范，可表示为：
其中，h+，h×分别对应于引力波的两个偏振分量。对于一个沿z轴运动行进的平面波的解为：hm-n＝h+(t-zc)+h×(t-zc)。根据理论分析，即使是大质量天体的运动，产生的引力波也非常微弱，因此在实验室条件下，不可能产生可探测的引力波，只能采用其他类型的波源进行模拟。根据爱因斯坦引力场方程：
其中Tm-n为能量动量张量，描述物质分布，Rm-n为奇张量，R为奇张量的缩并，称为曲率标量，考虑到8p/c4非常小，弱场近似下可得到引力波的波动方程为：
而声波的波动方程为：
其中，c0为空气中的声速。可以看出，二者的波动方程具有相似性。由于引力波对三维空间有作用效果，既包含横波也包含纵波。声波只有纵波，传播过程中会引起两臂长度的微小相对变化，与引力波传播过程中引起的时空效应有一定相似性，因此可采用声波源模拟引力波的传播特性。
根据上面的分析，引力辐射为四极辐射，在垂直于传播平面方向，虽然各点还固定在原来的坐标位置，但所处的空间会被引力波在一个方向上拉伸，另一个方向上压缩，也即，从观测者看，则是物体在引力波作用的半个周期内压缩一个方向，伸长另一个方向，在后续的半个周期又反过来。根据这一原理，就可以采用光学仪器加以探测。
通过上述原理，进一步结合图3所示，本发明的声波源11为间隔设置的两个具有磁性力的球面声源体，声源体的底部设置有转盘13，转盘13的底部连接有电机14，电机驱动转盘转动。转盘13上对应于声波源设置有两个底座12，底座12内嵌有磁悬浮线圈，以将声源体悬浮于底座上；在模拟引力波时，电机驱动转盘转动，进而带动底座转动，因磁悬浮作用，声源体随底座做圆周运动，以产生引力波辐射。
上述中，通过两个做圆周运动的声源体来进一步模拟引力波，其原理如下：
目前，引力波探测的最佳对象是致密双星，其可以包含2颗中子星，2个黑洞，或是中子星—黑洞，他们彼此以较高的频率相互绕转，具有绕转速度时，意味着质量四极动量具有二阶导数即存在引力波辐射。本发明采用两个可转动的磁悬浮声波源模拟致密双星，利用二者产生的叠加声场，使第一臂和第二臂的臂长发生微小变化。
如图2和图3所示，两个磁悬浮的声波源11放置在反射镜3和4分别与分光镜2形成的两臂之间，并且两声波源的连线中心保持在两臂的角平分线上。声波源11可以在电机驱动下进行绕连线中心做圆周运动。此处，声波源发出的是球面波，且因声波源在做圆周运动过程中，声波源与两臂之间的相对位置发生变化，声波对臂长的作用也会随之改变。这样，两声波源发出的声波分别到达两臂的时间不同，振幅大小也不同，叠加后引起两臂(只考虑沿臂长方向，垂直方向不引起臂长改变)微伸长或压缩，从而使探测器5得到相应的光信号，且随着两声波源11的圆周运动，探测器5接收的光信号也是周期性变化的。
在本发明中，通过激光器1发出单色光，经分光镜2后被分成光强相等的两束光，第一光束从分光镜透射后进入第一臂，并被反射镜3反射后原路返回；另一束从分光镜2反射后进入与第一臂垂直的第二臂，被反射镜4反射后原路返回。两束光的返回光在分光镜2上重新相遇，产生干涉。干涉后的光束继续传播，由探测器5接收光强信号。设干涉仪两臂的长度分别为L1，L2，初始时调整两臂长相等，L1＝L2，由于分光镜2反射的光有半波损失，两光束干涉相消，此时无光能到达探测器5。设图1中所示引力波沿与激光干涉仪所在平面成一定角度的方向传播(理想的情况是引力波垂直激光干涉仪所在平面传播)，由于其对时空两个正交方向上的压缩或拉伸，对应于第一臂和第二臂的长度会有相反的变化，即一臂的臂长伸长，另一臂的臂长相应缩短，两臂长度的相对改变量设为dL，则分光镜2上的两束相干光有了光程差，破坏了初始干涉条件，探测器5就能探测到光信号变化，此即表明探测到引力波。
同时，为了延长第一臂和第二臂的等效距离，上述第一反射镜3与分光镜2之间设置有第三反射镜6，构成法布里-珀罗腔，第二反射镜4与分光镜2之间设置有第四反射镜7，构成法布里-珀罗腔，通过光束在法布里-珀罗腔两个镜面之间的反复折返后产生多束相干反射光和透射光，等价延长第一臂和第二臂的实际臂长。
上述中，第一反射镜3和/或第二反射镜4为凹面反射镜；第三反射镜6和/或第四反射镜7为凹面反射镜。
继续参见图2，激光器1与分光镜2之间设置有垂直于激光光束的凹面反射镜8，凹面反射镜8的凹面设置于分光镜侧，平面设置于激光器侧，激光光束从凹面反射镜8的平面射入并从凹面反射镜8的凹面射出至分光镜2上，以使凹面反射镜与第三反射镜以及凹面反射镜与第四反射镜之间形成法布里-珀罗腔。增设凹面反射镜的原因在于，由于干涉相消原理，探测器5通常接收的光信号接近零，大部分的光能从激光器1入射到分光镜2的一端又漏出了。而在分光镜2之前再增加一个凹面反射镜8，调整其与激光光束垂直，即与两臂的反射镜形成新的法布里-珀罗腔，使返回的这部分激光与新入射的激光一起重新注入两臂，即实现了光再循环利用，可以提高系统的信噪比。
如图2所示，探测器5与分光镜2之间倾斜设置有半透半反镜9，半透半反镜9的反射面斜对于分光镜2，半透半反镜9反射面的侧部设置有相机10，从分光镜2透过的光束经过半透半反镜9后，透过的光束射入至探测器5，反射的光束射入至相机10中。该相机10可为CCD或CMOS相机。探测器5外连有示波器，以将探测器5探测到的光强信号输入到示波器中显示。上述探测器5得到模拟引力波信号可以输入到示波器中实时显示，相机10拍摄的干涉条纹也可以输入到计算机中实时显示。
因该引力波实验装置主要用于演示实验，所以在实际运用中，需要尽可能小的占用空间，因此，本发明在激光器1与凹面反射镜8之间倾斜设置有平面反射镜17，通过平面反射镜17的反射原理调整光路走向，这样就会呈现如图1所示激光器与第一反射镜平行的状态，节约了实验空间。
激光器1发出的单色光经过分光镜2后分为强度相等的两束光，由于模拟引力波的声波源引起两臂长变化很微弱，为提高信号比，激光器1优选的采用单色性非常好的氦氖激光器，并且工作在单纵模状态，以提高分光后两束光的相干性。
因引力波实验装置周围会受到其他声波源的干扰，并且空气对流，环境温度变化等，都会直接影响到实验系统的光路中两臂的长度发生随机的微变形，在探测器上形成噪声。因此，本发明的引力波实验装置的外部罩设有减噪罩，该减噪罩避免了干扰声波源，空气流动等对光路的影响，有效减小了实验误差。
为了使本发明更清楚，下面结合对本发明的光路原理进一步详述如下：
激光器发出的单色光经过分光镜后分为强度相等的两束光，分别为第一光束和第二光束，从分光镜透射的第一光束沿入射光方向，设为x向，从分光镜反射的第二光束沿垂直于入射光的方向，设为y向。为保证两臂相等，在x向，y向两光束传播路径上距离分光镜相等的位置分别放置第一反射镜和第二反射镜，该第一反射镜与第二反射镜均选用凹面反射镜。其中第一反射镜与分光镜之间形成第一臂，记为x臂；第二反射镜与分光镜构成第二臂，记为y臂。两束激光被第一反射镜和第二反射镜分别反射后，原路返回分光镜。在两臂中距离分光镜相同的位置上各放置一个反射镜，分别为第三反射镜和第四反射镜，此处第三反射镜和第四反射镜选为平面反射镜。该第三反射镜和第四反射镜的反射面垂直于两臂中的激光光束，与第一反射镜和第二反射镜分别构成两个法布里-珀罗腔，使得x臂中的激光在第一反射镜和第三反射镜之间，y臂中的激光在第二反射镜和第四反射镜之间来回折返，延长传播时间，增大x臂和y臂的等效臂长。两臂返回的激光在分光镜处重新合束，形成光干涉，从与y臂相对的方向出射，并继续传播达到探测器，探测器接收光强信号。探测器之前放置的半透半反镜，使部分干涉光进入探测器，剩余的反射光导入相机中，进行成像观测。由于两臂到达探测器的光满足干涉相消条件，大部分光从分光镜入射端漏出，为此在分光镜和激光器之间放置凹面反射镜，调整其与激光光束垂直，从而与第一反射镜和第二反射镜形成另一个法布里-珀罗腔，保证大部分光能在两臂中多次折返，提高实验系统的信噪比。

Claims (10)

1.一种引力波实验装置，其特征在于：包括可发射单色光的激光器，以及可模拟引力波源的声波源，其中，激光器的发射端设置有分光镜，分光镜将激光光束分为与激光光束平行以及与激光光束垂直的两束光，其中与激光光束平行的分束光为第一光束，与激光光束垂直的分束光为第二光束，分光镜第一光束的出射端设置有第一反射镜，分光镜第二光束的出射端设置有第二反射镜，第一反射镜与分光镜之间形成第一臂，第二反射镜与分光镜之间形成第二臂；分光镜的一侧设置有可获取探测信号的探测器，探测器与第二反射镜分设于分光镜的两侧，分光镜的第一反射镜与第二反射镜之间形成的平面内设置声波源；声波源发出模拟引力波的声波，引起第一臂和第二臂的长短变化，探测器进一步检测因第一臂和第二臂的臂长改变而引起的光信号。
2.根据权利要求1所述的引力波实验装置，其特征在于：声波源为间隔设置的两个具有磁性力的球面声源体，声源体的底部设置有底座，底座内嵌有磁悬浮线圈，以将声源体悬浮于底座上；底座的底部连接有电机，以驱动底座圆周运动。
3.根据权利要求1或2所述的引力波实验装置，其特征在于：第一反射镜与分光镜之间设置有第三反射镜，第二反射镜与分光镜之间设置有第四反射镜，以延长第一臂和第二臂的实际臂长。
4.根据权利要求3所述的引力波实验装置，其特征在于：激光器与分光镜之间设置有垂直于激光光束的凹面反射镜，凹面反射镜的凹面设置于分光镜侧，平面设置于激光器侧，激光光束从凹面反射镜的平面射入并从凹面反射镜的凹面出射至分光镜上，以使凹面反射镜与第三反射镜以及凹面反射镜与第四反射镜之间形成法布里-珀罗腔。
5.根据权利要求3或4所述的引力波实验装置，其特征在于：第一反射镜和/或第二反射镜为凹面反射镜；第三反射镜和/或第四反射镜为凹面反射镜。
6.根据权利要求1所述的引力波实验装置，其特征在于：探测器与分光镜之间倾斜设置有半透半反镜，半透半反镜的反射面斜对于激光光束，半透半反镜反射面的侧部设置有相机，从分光镜透过的光束经过半透半反镜后，透过的光束入射至探测器，反射的光束入射至相机中。
7.根据权利要求5所述的引力波实验装置，其特征在于：激光器与凹面反射镜之间倾斜设置有平面反射镜，以调整光路走向。
8.根据权利要求1所述的引力波实验装置，其特征在于：探测器外连有示波器，以将探测器探测到的光强信号输入到示波器中显示。
9.根据权利要求1所述的引力波实验装置，其特征在于：激光器为单纵模输出的氦氖激光器。
10.根据权利要求1所述的引力波实验装置，其特征在于：引力波实验装置的外部罩设有减噪罩。
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