DE102019004340A1 - Interferometer - Google Patents

Abstract

Interferometer zur Gravitationsvermessung bei dem ein Lichtsignal eines Lasers (L) polarisiert gesplittet anteilsmäßig jeweils von einem Eingang auf jeweils gravitativ unterschiedlich beeinflussten Lichtwegen an deren Eingang wieder zurückgeführt werden und dann durch Interferenz auf einen Unterschied der Laufzeiten auf den beiden Lichtwegen meßtechnisch ausgewertet werden, wobei der eingangsseitige Laser (L) an einen Frequenzmodengenerator (MG) und die davon gebildeten Grundwelle (G) sowie Oberwelle (O) jeweils an einen Polarisationsteiler (PG, PO) angekoppelt sind und von den damit gesplitteten Lichtbündeln diejenigen in einen wendelförmigen Lichtleiter (LL), der einem nach innen zunehmenden Brechungsindex aufweist, eingespeist sind, dass die Polarisationsrichtung der langwelligeren Mode, der Grundwelle (G) radial in dem Lichtleiterwendel (LLW) orientiert ist, wobei der Lichtleiter (LL) bevorzugt mehrere Kilometer lang ist und von dessen Ende das ankommende Licht entweder zum Eingang reflektiert wird und von dort oder unmittelbar jeweils nach Moden getrennt je an einen Interferenzbildner (IG, 10) übergeben wird und dort mit dem jeweils anderen Teil des zugehörigen Split-Lichtstrahles der gleichen Mode und mit gleicher Polarisation zur Interferenz gebracht wird, wobei die dadurch gewonnen Interferenzsignale einer Amplituden- und/oder Phasensignalauswertung zugeführt sind, wobei aus den optisch-elektrisch gewandelten Interferenzsignalen ein Gravitationsmeßsignal gewonnen wird. Eine orthogonale Anordnung mehrerer Interferometer dient der Ortung der Quelle der vermessenen Gravitationsänderungen.

Description

• Bekannt sind Interferometer zur Gravitationsvermessung unter den Bezeichnungen LIGO, aLIGO und LISA mit denen es erst seit dem 14.09.2015 gelungen ist, Gravitationssignale von der Verschmelzung zweier so genannter „Schwarzer Löcher“ zu identifizieren und zu vermessen. Diese bekannten Vorrichtungen basieren jeweils auf einem Michelson-Interferometer, bei dem monomode monochrome Lichtstrahlen durch einen halbdurchlässigen strahlenteilenden Spiegel auf divergierenden Wegen geführt werden, an deren Ende an deren Ende sie reflektiert und zum Ausgang zurückgeführt werde, wo sie zur Interferenz gebracht werden und somit abhängig von den Laufzeitunterschieden auf den beiden Teilstrecken auswertbare Signale liefern.
  Die Meßgenauigkeit wurde u. a. entscheidend durch die Länge der Teilstrecken und Schlierenbildung in der durchlaufenen Luft begrenzt.
• Eine Weiterentwicklung durch Dr. Heinz Billing vom MPI brachte eine erhebliche Lichtwegverlängerung durch etwa 100-fache Reflexionen an deren Enden und somit eine Kompaktierung der Anlage bei Steigerung deren Empfindlichkeit auf die relativen Längenänderungen der beiden Lichtwege.
  Um die Einflüsse von Luftschlieren zu vermeiden, wurden die neuen Interferometer mit kilometerlangen Vakuumröhren aufgebaut, was einen erheblichen Aufwand bedeutet.
  Weiterhin wurden die Spiegel an mehrstufigen Schwingungsdämpfern aufgehängt und beim aLIGO vom MPI Hannover mit einer aktiven Dämpfungssteuerung und Lageregelung versehen, um terrestische Störungen der Gravitation auf die Spiegellage in Bezug auf den Strahlenein- und austrittsort weitgehend zu eliminieren.
• Weiterhin wurde das Quantenrauschen der Laserlichtstrahlen mittels eines nichtlinearen optischen Kristalls erheblich verringert, es das MPI Hannover im sog. GEO600- Empfänger erfolgreich verwirklicht hat.
• Eine Übersicht von den bis heutigen Ergebnissen von Gravitationsmessungen mit den vorbezeichneten Vorrichtungen in Bezug auf die Theorie der kosmischen Ereignisse ist in: Schäfer, Physik Journal 16 (2017), 35 - 40, dargestellt.
• Weiterhin ist es aus der DE PS 1 913 358 bekannt, optische Glasfasern herzustellen, die Licht mit extrem geringen Verlust leiten, indem sie durch Diffusion einen Ionenaustausch derart dosiert schaffen, dass der Brechungsindex des Glases von außen nach innen zunimmt, wodurch der Lichtweg in Richtung des zunehmenden Brechungsindexes gekrümmt verläuft und dadurch ein permanente Bündelung des Lichtes erreicht wird und dessen Austreten verhindert wird.
• Weiterhin ist aus der DE-OS 2 064 262 eine Vorrichtung zur Lichtwegsteuerung und/oder -regelung in einem Lichtleiter bekannt, wobei ein Grenzwert eines zu bestimmenden Biegeradius ohne Lichtstrahlenverlust zu beachten ist. Ein Lichtleiter der bekannten Art lässt sich, beispielsweise mit einem Radius von 20 cm gebogen, ohne Lichtverlust betreiben.
• Weiterhin ist aus der DE3 546 239A1 ein nichtlinearer Lichtleiterkanal bekannt, in dem eine parametrische Frequenzerhöhung, insbes. -Verdoppelung, von Laserlicht vorgenommen werden kann. Der Kanal ist durch eine Dotierung in einem doppelbrechenden Material mit einer Kanalbreite von 10 bis 100 Wellenlängen des Lichtes erzeugt. Ein zweite Dotierung mit einem Stoff der einen unterschiedlichen Brechungsindex erbringt, wird eine Aufteilung in Licht zweier Frequenzen herbeigeführt. Durch elektrisch leitende Beläge des Kanals wird mittels einer Regel- oder Steuerspannung ein vorgegebenes oder gleiches Amplitudenverhältnis der erzeugten Lichtanteile der verschiedenen Frequenzen erzeugt. Einer Temperaturabhängigkeit des Trenneffektes kann damit entgegengewirkt werden. Unter Umständen ist eine merkliche Temperaturerhöhung des Kanals durch das Licht nicht vollständig zu vermeiden, auch wenn er in einem Thermostaten untergebracht ist. Die einzelnen Wellenarten lassen sich, wie beschrieben, durch passende Filter trennen. Mittels einer geeigneten Modulationsspannung und -frequenz lassen sich wie beschrieben, sowohl die Amplitude als auch die Phase der beiden austretenden Lichtanteile relativ zueinander steuern.
• Weiterhin ist aus der DE 36 13 738C2 eine optische Signalübertagungsvorrichtung bekannt, die einen Lichtwellenleiterresonator in einem doppelbrechenden Kristallkanal mit parallelen Modulatorelektroden umfasst und so ausgestaltet ist, dass der modulierte Lichtwellenanteil abgetrennt ausgegeben wird. Verschiedene Bewertungsschaltungen von Lichtanteilen dienen der Steuer- und Regelung durch die Modulation von jeweils vorgegebenen Strahleigenschaften.
• Weiterhin ist aus der EP 0448 751B1 bekannt, zwei Polarisationsteiler verkoppelt mit zwei akustooptischen Bereichen auf einem Lithiumniobatkristall zu erzeugen. Eine parallel zu dem jeweils darin geführten Licht elektrisch applizierte akustische Oberflächenwelle erzeugt ein entsprechend frequenzversetztes auszugebendes Lichtsignal. Eine weiteres, einen Abstand bzw. eine Laufzeit repräsentierendes verzögertes Lichtreflexsignal wird an einem weiteren Ein-/Ausgang ausgesendet und reflektiert angenommen und so mit dem frequenzversetzten Signal kombiniert, dass ein die Verzögerung des Reflexsignales repräsentierendes messbares Photosignal abgegeben wird.
• Weiterhin ist aus der DE 197 13547C1 ein integriert zu fertigender Abzweigungs- und Einfügungs-Multiplexer für einen Wellenlängen-Multiplexkanal bekannt, der zur interferometrischen Auswertung eines Reflexlichtsignales geeignet ist.
• Es ist Aufgabe der Erfindung ein Interferometer insbesondere zur Gravitationsmessung zu offenbaren, das die eingangs bezeichneten Nachteile der kilometerlangen Vakuumkanäle sowie die dadurch notwendigen Hilfsmittel zur Störunterdrückung terrestrischer zeitlicher Gravitationsdifferenzen über die Kanallänge und Störungen durch Luftbewegungen zu ersparen.
• Die Lösung besteht darin, dass der eingangsseitige Laser an einen Frequenzmodengenerator und einen Polarisationsteiler angekoppelt ist und die damit gesplitteten Lichtbündel derart in einen wendelförmigen Lichtleiter mit einem nach innen zunehmenden Brechungsindex eingespeist sind, dass die Polarisationsrichtung der langwelligeren Mode radial in dem Lichtleiterwendel orientiert ist und die Polarisationsrichtung der kurzwelligeren Mode im Wendel zu der Wendelzentralachse parallel ausgerichtet ist, wobei der Lichtleiter bevorzugt mehrere Kilometer lang ist und dessen Ausgang entweder mit einem Reflektor abgeschlossen ist oder jeweils an einen Interferenzbildner mit einem Teil des zugehörigen Split-Lichtstrahles verknüpft ist bzw. die zum Eingang des Lichtleiters zurückgekehrten Split-Lichtanteile jeweils an den zugehörigen mode- und polarisationsgleichen
  Interferenzbildner angekoppelt sind und wobei die dadurch gewonnen Interferenzsignale einer Amplituden- und/oder Phasensignalauswertung zugeführt sind, wodurch optisch-elektrisch gewandelt ein Gravitationsmeßsignal relativ zum zeitlich früher eingespeisten Signal gewonnen wird.
• Vorteilhafte Ausgestaltungen und Anwendungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
  Es ist vorteilhaft, den Frequenz-Moden- und Polarisationsteiler auf einem optisch nichtlinearen Kristall zu erzeugen, da so in diese Komponenten keine terrestrischen Gravitationsschwankungen durch Lageverschiebungen Störungen eintragen können.
• Weiterhin ist es vorteilhaft, die Vorrichtung in einen Infrarot-Thermostaten unter Vakuum einzusetzen, um externe Einflüsse weiter zu minimieren. Die thermische Verkopplung der gesplitteten und auch der wieder zusammengeführten Lichtanteile ist jeweils durch deren enge räumliche Verkopplung im Lichtleiter gewährleistet.
• Weiterhin ist es vorteilhaft, zur Erhöhung der Meßgenauigkeit das Laserlicht in bekannter Weise nichtlinear zu filtern, wodurch die Lichtquanten weitgehend zeitlich gleichverteilt werden und ein Quantenrauschen zu minimieren ist.
• Außerdem empfiehlt es sich, die gesamte Meßanordnung in der Vakuumkammer in bekannter Weise aktiv und/oder passiv gedämpft aufzuhängen oder aufzustellen.
• Die Wendelung des Lichtleiters erfolgt vorteilhaft auf einen Trägerkörper mit einem quasi elliptischen Querschnitt, dessen lange Achse radial zum Wendel ausgerichtet ist. Der Querschnitt hat einen so dimensionierten engsten Radius, dass er nahe an der Lichtaustrittsgrenze liegt. Das elliptische Achsenverhältnis sollte etwa 2 zu 1 sein. In der engen Krümmung wird der Lichtstrahl bei einer „Stauchung“ des Raumes also auch des Wendels, durch eine abnehmende Gravitationseinwirkung stärker abgelenkt und so auf eine längere Bahn geführt als in der geringeren Krümmung auf der langen Seite des Wendelquerschnittes. Dadurch wird eine meßbare Richtungswinkelorientierung zu den drei Achsen im Meßsignal selbst und, insbesondere in Verbindung mit den Meßsignalen von weiteren orthogonalen Interferometern, erbracht. Der kurzwellige Lichtanteil wird stark fokussiert entlang der Faserachse auf kürzestem Weg und praktisch durch die Gravitation unverändert geführt, und das radial polarisierte langwelligere Licht der Oberwelle läuft überwiegend in den Randbereichen mit einer die Richtung periodisch wechselnden Krümmung, und es ist zusätzlich variierend abgelenkt durch die elliptische Wendelform, so dass eine Wegverlängerung abhängig von einer Gravitations-Einwirkung die gewünschte messbare Lichtlaufzeitverlängerung, und zwar in den beiden Achsen infolge der elliptischen Verformung in unterschiedlichem Maße, ergibt. Die Interferenzsignale der verschieden geführten Split-Lichtsignale zeigen dadurch Unterschiede, die jeweils ein Maß einer Gravitationsänderung gegenüber dem Ausgangszustand am Beginn der Meßzeit repräsentiert.
• Um sehr deutliche Interferenzsignale zu gewinnen, werden vorteilhaft ein- und oder ausgangsseitig integrierte Modulatoren in die einlaufenden Lichtwege eingeschaltet und durch deren Steuerung bzw. Regelung bewirkt, daß das Interferenzsignal eine maximale Discrimination erbringt, z.B. durch eine Minimierung oder zu-Null-Regelung des Discriminator-Ausgangssignales, womit ein entsprechender Ausgangszustand hergestellt wird. Durch eine zeitliche Sperre bleibt dann ein solcher Zustand der Reglereinstellung konstant.
  Auf diese Weise ist es erstmals möglich, die wahre Natur der Gravitationsänderungen nachzuweisen, die bei der kugel-spiralförmigen Ausbreitung der, bei einer Kollision sogenannter „Schwarzer Löcher“ freiwerdenden/zerstrahlten „Dunklen Materie oder Energie“, an einem Beobachtungsort auftreten, wenn nämlich deren Materie-Spiralarme den Beobachter passieren und dieser dadurch danach von dem zerstrahlten Masseanteil nicht mehr zu dem zentralen Schwerpunkt, dem Ausgangsort der Gravitation, angezogen wird. Innerhalb einer rotationssymmetrischen Masseschale entfaltet diese bekanntlich keine nachweisbare Gravitationswirkung auf einen Beobachter. Die Gravitation aus dem Schwerpunkt der verbliebenen vereinten Massen der Kollisionsteilnehmer nimmt somit beim Passieren des Beobachters entsprechend der zerstrahlten Masse ab. Der Beobachtungszeitraum sollte deshalb zweckmäßig das gesamte kosmische Ereignis überspannen, wodurch sich ein treppenförmiger Signalverlauf zeigen und messbar werden wird.
• Im Gegensatz dazu messen die vorbekannten Systeme eine scheinbare Wellenform sogenannter Gravitationswellen. Diese Effekte zeigen sich durch die schmalbandige Frequenzfilterung, die, wegen der vielfältigen terrestrischen Störsignale in der kilometerlangen Anlage, zum Einsatz kommt. Es ist einsichtig, dass die neuartige Signalverarbeitung und Gestaltauswertung des Meßsignales abgewandelt prinzipiell auch auf die bisher beobachteten Signale anwendbar ist.
• Einen 50 km langen Lichtleiter von z.B. 0,2 mm Dicke kann man 20-lagig zu einer 1 m langen Wendel kompaktieren. Dessen Ausdehnung in der Wendelzentralachsen-Richtung ist also vergleichsweise zur Faserlänge vernachlässigbar. Nur die radiale Gravitationskomponente in dem Wendel trägt zum zugehörigen Meßsignal bei. Sind drei zueinander orthogonale Interferometer vorhanden, so lässt sich eine Richtungsortung der Gravitationsquelle aus den Meßsignalen ableiten. Falls die Wendel kreisförmig wären, könnten nur Vektoren in allen acht Quadranten ermittelt werden, Erst durch die Richtungsinformation, die durch den elliptischer Wendelquerschnitt zu gewinnen ist, der eine unterschiedliche Lichtwegverlängerung in den beiden Ellipsenachsrichtungen erbringt, lässt sich eine Hauptrichtung einer Gravitationsänderung nach beiden gegenüberliegenden Seiten feststellen. Erst eine weitere Meßvorrichtung die weiter entfernt angeordnet ist, kann durch einen Zeitvergleich der gemessenen Ereignisse eindeutig eine Quellrichtung und somit die Richtung, in der das kosmische Ereignis stattfand -abgesehen von einer zwischenzeitlichen Ortsveränderung des Schwerpunktes zum Beobachter,- eindeutig ermittelt werden.
• Auch von den eingangs genannten etablierten voneinander weit entfernten Interferometern werden die Daten durch eine Zeitkorrelation darauf untersucht, aus welcher Richtung die empfangenen Signale eingetroffen sind. Die Laufzeiten in den Wendeln sind dabei zu eliminieren Es besteht grundsätzlich die Möglichkeit, mehrere toleranzbehaftete Ergebnisse verschiedener Messungen durch eine Ausgleichsrechnung, die unter anderem in der Vermessungstechnik angewendet wird, zusammenzufassen und ein wahrscheinlichstes Ergebnis festzulegen.
• Werden die Lichtleiterwendel bei erhöhter Lagenzahl verkürzt, so lassen sich alle drei zueinander orthogonal orientierten Wendel zusammen mir den integrierten optischen und elektrischen Schaltungskomponenten in einer Vakuumkammer, z.B. einer Kugel oder einem Dom, von etwa einem Meter Durchmesser kompakt unterbringen. Die Vakuum- Abschirm- und Computeraggregate sind außerhalb anzuordnen, da sie Wärme und Erschütterungen erzeugen, die die Meßgenauigkeit stören würden. Die Kompaktheit der Gesamtanordnung von den drei Interferometern erlaubt es, zahlreiche solcher in großer Entfernung voneinander zu installieren. Dabei kann es von Vorteil sein, die orthogonalen Achsen der Stationen zueinander parallel auszurichten, da dadurch die Korrelationsrechnungen vereinfacht werden.
  Um die Orientierung der Polarisation in der Lichtleitfaser im ganzen Wendel konstant zu halten, werden zweckmäßig die Fasern etwa elliptisch im Querschnitt, also mit ihrer längeren Faserquerschnittsachse im Wendel radial gestellt ist.
• 1 zeigt schematisch eine interferometrisch arbeitende Gravitationsmeß- und Ortungseinrichtung mit einem Lichtwellenleiter; ein Faserquerschnitt ist etwa 50-fach vergrößert herausgezogen dargestellt.
• 2 zeigt schematisch eine Anordnung von drei Interferometern, deren Lichtleiterwendel mit ihren Hauptachsen und mit ihren Wendelquerschnittsachsen jeweils orthogonal zueinander angeordnet sind.
• In der folgenden Tabelle sind die Bezugszeichen zusammengestellt; analoge Bezeichnungen sind auf einer Zeile jeweils angegeben.

C

Korrekturvorrichtung

D1, D2

Dämpfer der Lagerung der Wendel

FAH

Faserquerschnittsachse längere

G

Grundwelle O

GMS

Gravitationsmeßsignal

IG

Interferenzerzeuger Grundwelle

L

Laser

LL

Lichtleiter

MG

Modengenerator

MI

Mischer

MOG

Modulator der Grundwelle,

MS

Modulatorsteuersignal Grundwelle

OWG

opto-elektrischer Wandler G .

OV

Ortungsvorrichtung

PDG

Polarisator der Grundwelle

Q

Quantenverteiler

REF

Referenzsignal

RSH

Regelsignalerzeuger und -halter

T

Teiler

TH

Thermostat

ÜS

Überwachungssignal

VAC

Vakuum

WA

Wendelachse zentral,

WAH

Wendelquerschnittachse längere

W1, W2, W3

1., 2., 3. Wendel

FAQ

Faserquerschnittachse kürzere Oberwelle

GMS1, GMS2, GMS3

von W1, W2, W3

IO

Interferenzerzeuger der Oberwelle

L1, L2, L3

1., 2., 3. Laser

LLW

Lichtleiterwendel

MOO

Modulator der Oberwelle

PSS

Modulator der Pilotwelle

OWO

opto-elektrischer Wandler .d. Oberwelle

OS

Ortungssignal

PDO

Polarisator der Oberwelle

VK

Vakuumkammer

WAQ

Wendelquerschnittachse kürzere

• 1 zeigt schematisch eine interferometrisch arbeitende Gravitationsmeßeinrichtung mit einem Lichtwellenleiterwendel LLW, die mehrlagig und im Querschnitt elliptisch um eine zentrale Lichtleiterachse WA orientiert aufgebaut ist. Die Wendel ist mit Dämpfern D1, D2 in einer Vakuumkammer VK erschütterungsarm gehaltert. Die engste Wendelkrümmung ist so ausgelegt, daß sie nahe der kritischen Totalreflexionsgrenze des applizierten Lichtes liegt, damit möglichst keine Lichtverluste auftreten aber die Lichtwegbeeinflussung durch die gravitativen Veränderungen möglichst groß sind.
  Der Vorrichtung wird der Strahl eines Lasers L zugeführt, wobei er zweckmäßig als erstes einen Quantenverteiler durchläuft und anschließend einen parametrischen Modengenerator MG beaufschlagt, der eine Grundwelle G und eine Oberwelle O abgibt, die der Laufzeitreferenz dient. Beide Wellen werden jeweils einem zugehörigen Polarisator PG, PO zugeführt, wonach die vertikal polarisierte Grundwelle einen Modulator MOG durchläuft und danach mit der horizontal polarisierten Oberwelle in einem Mischer MI zusammengeführt wird. Dieses so gebildete Strahlengemisch wird so an den Lichtleiter LL eingangsseitig angekoppelt, dass die Polarisationsrichtung der Grundwelle radial in der Ebene der Lichtleiterwendel LLW liegt. Das Ausgangssignal des Lichtleiterwendels durchläuft einen Teiler T, wonach die gesplitteten Grundwellen- und Oberwellenanteile jeweils einem zugehörigen Inteferenzbildner IG, IO zugeführt sind, deren anderen Eingang jeweils die aus den eingangsseitigen Polarisatoren PG, PO ausgekoppelten freien Lichtstrahlenanteile jeweils nach Durchlauf eines Polarisarionsdrehers PDG, PDO passend zugeführt ist. Die so erzeugten Interferenzsignale werden jeweils über opto-elektrische Wandler OWG, OWO in einer Korrekturvorrichtung C zu einem Gravitationsmeßsignal GMS korreliert und ausgegeben. Außerdem dient das gewandelte elektrische Grundwellensignal der Erzeugung eines Modulator-Regelsignals MS für den Grundwellenmodulator MOG in einer Regelsignal- und Halteschaltung RSH. Dieser wird ein Haltezeitsignal Z jeweils dann zugeführt, wenn ein eingepegelter Regelzustand erreicht ist. Die Haltezeit sollte die erwartete Ereigniszeit völlig überdecken, also z. B. 1 bis 2 Sekunden dauern. Der stabile Regelzustand wird vorteilhaft an einem Erreichen einer Minimierung oder einer zu Null geführten Interferenz orientiert.
  Außerdem wird das elektrisch gewandelte Oberwelleninterferenzsignal einem Vergleicher V zugeführt, der einen Vergleich mit einem Referenzsignal REF vornimmt und dessen Ausgangssignal einerseits als Pilotsteuersignal PSS einem Oberwellenmodulator MOO als Steuersignal zugeführt und andererseits als Überwachungssignal SÜ zur externen Begutachtung ausgeführt wird.
• Das im Oberwellen-Modulator mit dem Pilotregelsignal erzeugte Signal dient letztlich zum Vergleich der Durchlaufzeiten der beiden Teilstrahlen. Mit dessen Ergebnis werden Auswirkungen terrestrischer Gravitationsstörungen auf die Meßsignale kompensiert.
  Es ist grundsätzlich vorteilhaft, die Auswertung von mit kurzzeitigen Störungen belasteten Nutzsignalen durch Integratoren vorzunehmen, die die Störunganteile nivellieren und das länger dauernde Nutzsignal hervortreten lassen. Bei der Verarbeitung der elektrisch gewandelten Interferenzsignale ist von grundsätzlicher Bedeutung, dass die Lichtsignale nur bezüglich ihres Absolutwertes und ihrer zeitlichen Lage mittels der Interferenz gewandelt entstehen und unmittelbar keine Phaseninformation odgl. mit dem Interferenzsignal mitgeliefert wird. Es ist vorteilhaft, konkrete Startzeitpunkte für die Integration jeweils zu bestimmen.- wie bereits ausgeführt wurde-. Auch lassen sich mehrere Integratoren zeitversetzt nutzen. Der Integrationsvorgang lässt sich computergestützt oder mit Impulsen digital gewandelt mittels Impulszählern, vgl.: DE25 29 748A1 „Verfahren und Schaltungsanordnung zur Bestimmung des Wechsels zwischen zwei mit unterschiedlichen Signalfrequenzen modulierten Datensignalen“ erbringen oder mit Analogschaltungen, z.B. mit einer gesteuerten Stromquelle und einem Kondensator, vgl.: DE20 38091C3 , „Verfahren zur Rückgewinnung von Binärinformation“ ausführen.
• Im vorliegenden Fall empfiehlt es sich, die Integrationen über einen vollständigen astronomischen Kollisionsvorgang synchron in drei Interferometern vorzunehmen, wobei eine Störausblendung jeweils mithilfe des Pilotsignales vorgenommen wird. Durch die zeitlich abgestimmte Integrationsdauer wird der stufenförmige Verlauf der Gravitationsänderung offenbar werden. Er ist ein Abbild der Folge der Spiralarme der zerstrahlten Dunkelmasse beim Passieren der Meßvorrichtung. Unterschiedliche Stufenbreiten und -höhen ergeben sich bei einem Masseunterschied der kollidierenden rotierenden Massen, die durch die Rotation des ungleichen Massenpaares zeitweilig mit abwechselnder abnehmender Dauer eine Abschattung herbeiführen. Die Gravitationskomponente, die bezüglich des Kollisionssortes, der dem Masseschwerpunkt der kollidierenden Massen entspricht, auf den Beobachter hin gerichtet ist, vermindert sich während der Beobachtung solange die zerstrahlte Dunkle Masse die Meßvorrichtung passiert, da dieser Masseanteil aus dem um den Schwerpunkt sich erstreckenden rotationssymmetrischen beobachtbaren Raum nach und nach mit Lichtgeschwindigkeit entschwindet.
• 2 zeigt die Anordnung von den drei jeweils orthogonal zueinander angeordneten Wendeln W1, W2 und W3. Außer den zentralen Wendelachsen sind auch die Wedelachsen WAH und WAQ jeweils orthogonal in allen drei Wendeln positioniert, so dass die damit gewonnene Meßsignale die Richtung der Gravitationsquelle erkennen lassen. Die jeweils zugehörigen Steuerkomponenten sind mit den Wellenleitern zusammen in der Vakuumkammer VK untergebracht. Nur die Vakuumpumpe und die Versorgungs- und Auswerteschaltungen sind extern platziert.
• Vergleicht man die vorbekannten Interferometer, die der Gravitationsvermessung dienen, mit den neuartigen, so erkennt man, daß bisher die Raumänderung auf einem extrem linearen Lichtweg gemessen wurde und nunmehr der Gravitationseinfluß auf einen vielfältig gekrümmten Lichtweg untersuchen, der durch zahlreiche Reflexionen sowie nichtlineare Brechungsindexverläufe auf einer meandernden Bahn verläuft Somit wird er auf seine Bahnänderung und verbunden damit auf die Wegverlängerung untersucht, den die Reflexionen im Lichtleiter verursachen. Die vielfältigen Spiegelungen verstärken die jeweils originär gewöhnlich äußerst geringen Effekte von Ereignissen in der Tiefe des Weltraumes in erheblichem Maße.
  Die Länge des Lichtleiters erbringt eine hohe Meßempfindlichkeit; andererseits beschränkt sie die zeitliche Auflösung des Ereignisses. Bei ca. 50 km Lichtleiterlänge ist die Durchlaufzeit etwa 1 ms, und bei einer Laserfrequenz von 1 Gb sind darin etwa 1000 Lichtwellen jeweils unterwegs. Das Interferenzsignal lässt sich zudem innerhalb einer Halbwellenzeit analog in seiner Höhe beurteilen. Außerdem lässt sich vorteilhaft bei einer Überlagerung der ein- und auslaufenden Grundwelle wegen der Veränderung der Durchlaufzeit und damit der Frequenz des auslaufenden Lichtes eine Schwebung anhand der resultierenden Amplitude meßtechnisch erfassen, deren Schwebungsfrequenz der Frequenzdifferenz der summierten Wellen entspricht.
• Das Interferometer ist auch für terrestrische Erschütterungsmessungen vorteilhaft zu verwenden, wenn statt der gedämpften Lagerung eine feste Kopplung mit dem Grund vorzunehmen ist.
  Es können z.B. Erdbebenwellen vermessen und ihre Quellen geortet werden. Hierbei zeigen sich im Verlauf gewöhnlich keine Treppen sondern Wellen, weshalb bei der Auswertung die wechselnde Richtung der Signale zu berücksichtigen ist, die durch einen Vergleich des Grundwellen-Meßsignals mit dem Pilotwellenverlauf zu ermitteln ist. Nur wenn tektonisch bleibende Verformungen des Untergrundes stattfinden, die z.B. an tektonischen Subduktionszonen auftreten, ergibt sich eine Änderungen der lokalen Gravitation, die man an einer Stufenform der Meßsignale erkennen kann.
• Als ein integrierendes Filterelement für das auslaufende Oberwellensignal eignet sich besonders ein Schwingkreiselement, das beispielsweise durch einen Oberwellengenerator für die Grundwelle in Verbindung mit einem Modulator und einer ihm zugehörigen Steuerung gebildet ist. Der optische Resonanzraum nimmt fortlaufend Lichtenergie auf, wobei die optische Nichtlinearität dieses parametrischen Oberwellengenerators einen Energieüberschuß jeweils als Oberwelle aufnimmt und ggf. abgibt, deren Intensität ausgekoppelt optisch-elektrisch gewandelt zu messen ist. Wird der genannte Modulator gleichzeitig wie derjenige des Eingangssignales mit einem Haltesignal am Reglereingang versorgt, so zeigt sich im Intensitätsmeßsignal die langfristige Änderung der Licht-Durchlaufzeit während der Haltezeit.
• Eine derartige Auswertevorrichtung ist in 3 mit seinen Unterschieden zu der in 1 gezeigten dargestellt, deren Anschlusselemente gestrichelt eingezeichnet sind. Der den Teiler T verlassende Grundwellenanteil des Ausgangssignals des Lichtleiterwendels LLW sowie der Grundwellenanteil, der den Phasendreher PDG verlässt, werden den Eingängen eines weiteren Mischers MI2 zugeführt, dessen einer Ausgang die Differenzfrequenz DF an einen optisch-elektrischen Wandler OWD liefert, der das Schwebungssignal DS dem Regelsignal-Erzeuger und -Halter RSH als auch der Korrekturschaltung C liefert, die das Gravitationsmesssignal GMS, liefert. Ein zweiter Ausgang des zweiten Mischers MI2 liefert eine Summenfrequenz SF, deren Oberwellenanteil SO mittel eines weiteren Modengenerators MG2 integrierend extrahiert wird, der über einen optisch elektrischen Wandler der Summenoberwelle OWS einem elektrischen Integrator der Summenoberwelle IGS geliefert wird, der jeweils durch das Zeitsignal Z aktiviert ist, so dass er ausgangsseitig das integrierte Messsignal IMS abgibt.
• Der hier beschriebene Aufbau einer Auswertevorrichtung ist offensichtlich aus den gleichen Elementen, wie bereits beschrieben, zu erstellen. Zweckmäßig geschieht das auf dem gleichen Kristall durch entsprechende lokale Dotierungen, wie im genannten Stand der Technik gezeigt ist.
• Die interferometrische Überlagerung der zu vergleichenden Signale liefert grundsätzlich nur ein differentielles Ergebnis also ohne eine Bezugsbasis. Die zuletzt beschriebene, summarische, integrative Signalauswertung kann diesen grundsätzlichen Mangel nicht beheben; sie liefert ihr Ausgangssignal nur relativ zum Zeitpunkt des Messbeginns. Die Meßsignale sind zudem nur linear bewertet und deshalb nur in einem engen Bereich als Näherung gültig. Die genannten Einschränkungen können durch eine Eichung mit bekannten Größen und durch Berücksichtigung von bekannten funktionalen Abhängigkeiten des Signalverlaufs überwunden werden.
• Eine Eichung des Interferometers lässt sich mit beobachtbaren bekannten Gravitationsänderungen vornehmen, wie beispielsweise deren Änderung durch den Stand des Mondes und der Sonne zur Erde über deren Monats- bzw. Tagesverlauf. Diese Gezeitenverläufe und deren Auswirkungen auf die Gestalt der Erde und damit der permanenten lunaren und solaren Beeinflussung der terrestrischen Gravitationsgröße sind hinreichend bekannt, um als Eichhilfe zu dienen.
• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
• Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
• Zitierte Patentliteratur
• DE 1913358 [0005]
• DE 2064262 [0006]
• DE 3546239 A1 [0007]
• DE 3613738 C2 [0008]
• EP 0448751 B1 [0009]
• DE 19713547 C1 [0010]
• DE 2529748 A1 [0025]
• DE 2038091 C3 [0025]
• Zitierte Nicht-Patentliteratur
• Theorie der kosmischen Ereignisse ist in: Schäfer, Physik Journal 16 (2017), 35 - 40 [0004]

Claims (19)

1. Interferometer zur Gravitationsvermessung bei dem ein Lichtsignal eines Lasers (L) polarisiert gesplittet anteilsmäßig jeweils von einem Eingang auf jeweils gravitativ unterschiedlich beeinflussten Lichtwegen an deren Eingang wieder zurückgeführt werden und dann durch Interferenz auf einen Unterschied der Laufzeiten auf den beiden Lichtwegen meßtechnisch ausgewertet werden, dadurch gekennzeichnet, dass der eingangsseitige Laser (L) an einen Frequenzmodengenerator (MG) und die davon gebildeten Grundwelle (G) sowie Oberwelle (O) jeweils an einen Polarisationsteiler (PG, PO) angekoppelt sind und von den damit gesplitteten Lichtbündeln diejenigen in einen wendelförmigen Lichtleiter (LL), der einem nach innen zunehmenden Brechungsindex aufweist, eingespeist sind, dass die Polarisationsrichtung der langwelligeren Mode, der Grundwelle (G) radial in dem Lichtleiterwendel (LLW) orientiert ist und die Polarisationsrichtung der kurzwelligeren Mode der Oberwelle (O) im Lichtleiterwendel (LLW) parallel zur zentralen Wendelachse (WA) ausgerichtet ist, wobei der Lichtleiter (LL) bevorzugt mehrere Kilometer lang ist und von dessen Ende das ankommende Licht entweder zum Eingang reflektiert wird und von dort oder unmittelbar jeweils nach Moden getrennt je an einen Interferenzbildner (IG 10) übergeben wird und dort mit dem jeweils anderen Teil des zugehörigen Split-Lichtstrahles der gleichen Mode und mit gleicher Polarisation zur Interferenz gebracht wird, wobei die dadurch gewonnen Interferenzsignale einer Amplituden- und/oder Phasensignalauswertung zugeführt sind, wobei aus den optisch-elektrisch gewandelten Interferenzsignalen ein Gravitationsmeßsignal gewonnen wird.
2. Interferometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtleiter mindestens 50 km lang ist und mehrlagig zu einer Lichtleiterwendel (LLW) von höchstens 1 m Länge kompaktiert ist.
3. Interferometer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtleiterwendel (LLW) im Querschnitt elliptisch oder gestreckt ausgebildet ist.
4. Interferometer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Längenverhältnis der Ellipsenachsen (WAH, WAQ) oder das Streckungsverhältnis des Querschnittes 2/1 beträgt.
5. Interferometer nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtstrahl des Lasers (L) durch einen Quantenverteiler (Q) geleitet einem parametrischen Modengenerator (MG) zur Erzeugung mindestens einer Oberwelle (O) einer bzw. mehrerer Frequenz(en) zugeführt wird, der diese sowie die ursprüngliche Grundwelle (G) in die zugehörigen Phasenteiler (PG, PO) einspeist.
6. Interferometer nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine der polarisierten Grundwellenphasen über einen elektrisch steuerbaren Grundwellen-Frequenz/Phasenmodulator (MOG) einem Mischer (MI) zugeführt ist, dem des weiteren eine zur genannten Grundwellenpolarisation orthogonal polarisierte Oberwelle eingangsseitig zugeführt ist und aus dem die gemischten Strahlenanteile dem Lichtleiter (LL) in vorbeschriebene Polarisationsrichtungen orientiert zugeführt sind.
7. Interferometer nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtleiterwendel (LLW) ausgangsseitig an einen Polarisationsteiler (T) angeschlossen ist, der einerseits den Grundwelleninterferenzerzeuger (IG) und andererseits den Oberwelleninterferenzerzeuger (IO) speist denen jeweils andererseits die in den zugehörigen eingangsseitigen Polarisatoren (PG;PO) freien abgetrennten Lichtanteile über je einen Polarisationsdreher (PDG; PDO) zugeführt sind, so dass die beiden eingespeisten Lichtanteile die zueinander passende Polarisation aufweisen und dadurch jeweils eine effektive Interferenz dort stattfindet.
8. Interferometer nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Interferenzsignale über optisch-elektrische Wandler (OWG; OWO) transformiert und in einer Korrekturvorrichtung (C) kombiniert als das Gravitationsmeßsignal (GMS) ausgegeben wird und das gewandelte interferometrische Oberwellensignal außerdem nach einem Vergleich mit einem Referenzsignal (REF) als ein Überwachungssignal (ÜS) ausgegeben wird sowie als ein Pilotsignal (PSS) der Steuerung einem Oberwellenmodulator (MOO) dient, der dem Oberwellen-Interferenzerzeuger vorgeschaltet ist der so ausgelegt ist, dass das Interferenzsignal möglichst klein ist..
9. Interferometer nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das gewandelte Oberwelleninterferenzsignal einem Regelsignal- und Haltesignalerzeuger (RSH) zugeführt ist, der ein Modulatorsteuersignal (MS) an einen Grundwellen Modulator (MOG) abgibt der dem Mischer (MI) vorgeschaltet ist und jeweils bei einer Stabilisierung der Regelstrecke bei einem minimalen Interferenzsignal eine Zeitvorgabe (Z) übernimmt und derart das Regelsignal konstant hält, daß die jeweils folgende Messung vom Regelsystem unbeeinflusst abläuft.
10. nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der aus dem Lichtleiter (LL) austretende Grundwellenanteil einem weiteren Mischer (MI2) zugeführt wird, dessen weiterer Eingang mit der ursprünglichen abgetrennten Phase der Grundwelle über eine Phasendreher (PDG) gespeist ist und dessen Summenfrequenz-Ausgangssignal (SF) einen weiteren Modengenerator (MG2) speist, dessen erzeugtes Oberwellensignal(SO) über einen opto-elektrischen Wandler (OWS) an ein Integrator (IGS) geliefert, mit dem Zeitsignal (Z) aktiviert, als ein integriertes Meßsignal (IMS) ausgegeben wird, und wobei der Differenzfrequenz-Ausgang (DF) des zweiten Mischers (MI2) mit einem nachgeschalteten weiteren optisch-elektrischen Wandler (OWD) die Regel- und Halteschaltung (RSH) sowie die Korrekturschaltung (C), die das Gravitationsmeßsignal (GMS) ausgibt, speist.
11. Interferometer nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtleiter (LL) einen etwa elliptischen abgeflachten Querschnitt aufweist, dessen längere Ellipsenachse (FAH) im Lichleiterwendel (LLW) radial angeordnet ist und dessen kürzere Ellipsenachse (FAQ) parallel zur zentralen Wendelachse (WA) liegt.
12. Interferometer nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es mit mindestens einem aktiven und/oder passiven Dämpfer (D1, D2) gehaltert ist.
13. Interferometer nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die optischen Komponenten, wie Polarisationsteiler, Modengenerator, Mischer, Polarisationsdreher, Frequenz/phasenmodulatoren, Interferenzgeneratoren auf einem oder wenigen optisch nichtlinearen Kristallen durch Dotierungen und Temperungen erzeugt sind und dort durch darin erzeugte Lichtleitkanäle verbunden sind.
14. Interferometer nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtleiterwendel (LLW) und die genannten optischen Komponenten in einer Vakuumkammer (VK) eingehaust sind.
15. Interferometer nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Vakuumkammer mit einem Thermostaten (TH) temperaturstabilisiert ist.
16. Interferometer nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere, insbesondere drei, davon als eine Gravimeter-Anordnung mit orthogonal ausgerichteten zentralen Wendelachsen (WA) und zueinander orthogonal ausgerichteten Wendelquerschnittsachsen (WAH, WAQ) miteinander verbunden sind und deren Gravitationsmeßsignale (GMS) zu einer mehrdimensionalen Richtungsbestimmung eines Ursprungs einer Gravitationsänderung genutzt wird.
17. Gravimeter-Anordnung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß deren Interferometer mit einem gleichzeitigen Signal zur Zeitvorgabe (Z) gesteuert werden.
18. Ortungsvorrichtung mit mindestens zwei Gravimeter-Anordnungen nach einem der Ansprüche 16 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass diese in mindestens 1000 km Abstand voneinander mit gleichlaufenden Uhren installiert sind und deren Gravitatiosmeßsignale sowie deren zeitliche Lage und unter Berücksichtigung der Lichtlaufzeiten in den Lichtleiterwendeln in Verbindung mit ihrer räumlichen Lage relativ zueinander zur eindeutigen Richtungserkennung auf die jeweilige Ereignisquelle einer Gravitationsänderung im All genutzt werden.
19. Ortungsvorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß deren Gravimeter-Anodnungen mit ihren Lichtleiterwendelachsen parallel zueinander ausgerichtet sind.

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