RU2454685C1

RU2454685C1 - Gravitational wave detector

Info

Publication number: RU2454685C1
Application number: RU2010148207/28A
Authority: RU
Inventors: Зуфар Газизович Мурзаханов (RU); Зуфар Газизович Мурзаханов; Александр Фридрихович Скочилов (RU); Александр Фридрихович Скочилов
Original assignee: Государственное учреждение Научный центр гравитационно-волновых исследований "Дулкын"
Priority date: 2010-11-25
Filing date: 2010-11-25
Publication date: 2012-06-27

Abstract

FIELD: physics.

SUBSTANCE: invention relates to laser interferometer gravitational wave (GW) detectors and can be used to detect low-frequency periodic GW signals from double relativistic astrophysical objects. According to the invention, the reference resonator of the GW detector includes a cell with nonlinearly absorbing gas, wherein the oscillating frequency of the reference resonator is associated with the frequency of nonlinear absorption resonance of the gas molecules, which enables to make the reference resonator insensitive to the effect of gravitational radiation, which enables the GW detector to detect a GW signal from any direction. The GW detector based on a laser with a signal and a reference resonator enables to keep the reference resonator insensitive to the effect of gravitational radiation for any direction of propagation of the detected GW signal.

EFFECT: providing the maximum possible response amplitude of the GW detector for the given direction.

1 dwg

Description

Изобретение относится к лазерно-интерферометрическим гравитационно-волновым (ГВ) детекторам и может быть использовано в гравитационно-волновой астрономии, например, для обнаружения периодических низкочастотных гравитационно-волновых сигналов от двойных релятивистских астрофизических объектов.The invention relates to laser-interferometric gravitational-wave (GW) detectors and can be used in gravitational-wave astronomy, for example, to detect periodic low-frequency gravitational-wave signals from double relativistic astrophysical objects.

Известно, что существует теоретическое предсказание о формировании эластодинамического отклика веберовского детектора [1] и электродинамического отклика длиннобазовых [1] и компактных [2] лазерно-интерферометрических антенн на воздействие поля гравитационного излучения (ГИ). ГВ-антенны веберовского типа и длиннобазовые лазерно-интерферометрические антенны предназначены для обнаружения коротких импульсных ГВ-сигналов от вспышечных источников, пространственно-временные характеристики которых неизвестны, что уменьшает достоверность их обнаружения. Требуемое мгновенное отношение сигнал/шум для уверенного обнаружения ГВ-сигнала от вспышечного источника ГИ должно быть больше 13. Кроме того, существуют ГВ-детекторы [3, 4], принцип действия которых заключается в том, что в результате ГВ-воздействия детектируемого периодического низкочастотного ГВ-сигнала на оптическое излучение первого и второго оптических резонаторов (как бегущих, так и стоячих волн) через изменение их показателей преломления вдоль оптических путей распространения излучения происходит набег фаз в оптических излучениях по закону изменения ГВ-сигнала. В силу геометрической неэквивалентности первого и второго резонаторов это воздействие приводит к различным изменениям показателей преломления вдоль оптических путей распространения излучений, а следовательно, и к различным набегам фаз в этих оптических излучениях. По наличию, величине и закону изменения разности набегов фаз в оптических излучениях резонаторов и судят о воздействии ГВ-сигнала на оптические излучения резонаторов, а следовательно, о наличии (обнаружении) детектируемого ГВ-сигнала. Таким образом, указанные устройства [3, 4] имеют принципиальную возможность по обнаружению периодических низкочастных ГВ-сигналов от двойных релятивистских астрофизических объектов.It is known that there is a theoretical prediction about the formation of the elastodynamic response of the Weber detector [1] and the electrodynamic response of long-base [1] and compact [2] laser interferometric antennas to the effect of the field of gravitational radiation (GI). Weber-type GW antennas and long-base laser interferometric antennas are designed to detect short pulsed GW signals from flash sources, the spatio-temporal characteristics of which are unknown, which reduces the reliability of their detection. The required instantaneous signal-to-noise ratio for reliable detection of the GW signal from the flash source of the GI should be greater than 13. In addition, there are GV detectors [3, 4], the principle of which is that as a result of the GV action of the detected periodic low-frequency GW signal to the optical radiation of the first and second optical resonators (both traveling and standing waves) through a change in their refractive indices along the optical propagation paths of radiation, there is an incursion of phases in optical radiation x according to the law of change of the GV signal. Due to the geometric nonequivalence of the first and second resonators, this effect leads to various changes in the refractive indices along the optical propagation paths of radiation and, consequently, to different phase incursions in these optical radiation. By the presence, magnitude and law of variation of the phase difference difference in the optical radiation of the resonators, they judge the effect of the GW signal on the optical radiation of the resonators, and therefore, the presence (detection) of the detected GV signal. Thus, these devices [3, 4] have the fundamental possibility of detecting periodic low-frequency GW signals from binary relativistic astrophysical objects.

Известен [5] ГВ-детектор для обнаружения периодических ГВ-сигналов, который является наиболее близким к заявляемому объекту и поэтому выбран в качестве прототипа. Он представляет собой лазер с двумя геометрически неэквивалентными первым и вторым оптическими резонаторами стоячих волн. Первый резонатор образован первым частично пропускающим зеркалом, поляризационной разделительной призмой и глухим зеркалом, причем часть оптического пути резонатора от частично пропускающего зеркала до поляризационной разделительной призмы перпендикулярна оптическому пути от поляризационной разделительной призмы до глухого зеркала. Второй резонатор образован первым частично пропускающим зеркалом, поляризационной разделительной призмой и вторым частично пропускающим зеркалом. Оптические излучения, генерируемые в первом и втором резонаторах, имеют взаимно ортогональные линейные поляризации. В силу пространственной и геометрической неэквивалентности первого и второго резонаторов прототипа принцип действия последнего аналогичен рассмотренным выше ГВ-детекторам [3, 4]. В прототипе [5] оптическая ось второго резонатора совпадает с направлением распространения ГИ, поэтому этот резонатор является опорным, поскольку изменение показателя преломления из-за воздействия ГИ в этом резонаторе отсутствует. Первый резонатор является сигнальным, поскольку содержит участок, где происходит изменение показателя преломления из-за воздействия ГИ. Выходящие через первое частично пропускающее зеркало излучения первого и второго резонаторов гетеродинируются с помощью поляризатора, имеющего плоскость пропускания, наклоненную под углом 45° к электрическим векторам генерируемых излучений. Сигнал биений регистрируется с помощью фотодетектора и поступает в блок обработки сигналов, предназначенный для выделения полезного сигнала из шумов.Known [5] GW detector for detecting periodic GW signals, which is the closest to the claimed object and therefore is selected as a prototype. It is a laser with two geometrically nonequivalent first and second optical standing-wave resonators. The first resonator is formed by the first partially transmitting mirror, a polarizing dividing prism, and a dull mirror, and a part of the optical path of the resonator from the partially transmitting mirror to the polarizing dividing prism is perpendicular to the optical path from the polarizing dividing prism to the dull mirror. The second resonator is formed by a first partially transmitting mirror, a polarizing dividing prism, and a second partially transmitting mirror. Optical radiation generated in the first and second resonators have mutually orthogonal linear polarizations. Due to the spatial and geometrical nonequivalence of the first and second resonators of the prototype, the principle of operation of the latter is similar to the above-described GV detectors [3, 4]. In the prototype [5], the optical axis of the second resonator coincides with the propagation direction of the GI, therefore this resonator is a reference one, since there is no change in the refractive index due to the action of GI in this resonator. The first resonator is a signal one, because it contains a region where a change in the refractive index occurs due to the influence of GI. The radiation of the first and second resonators emerging through the first partially transmitting mirror is heterodyned using a polarizer having a transmission plane inclined at an angle of 45 ° to the electric vectors of the generated radiation. The beat signal is recorded using a photodetector and enters a signal processing unit designed to extract a useful signal from noise.

Однако прототип имеет существенный недостаток из-за того, что при изменении направления распространения ГИ опорный резонатор также становится чувствительным к ГИ, в результате чего амплитуда отклика ГВ-детектора уменьшается, а при некоторых направлениях детектируемого ГВ-сигнала воздействие ГИ на оба резонатора будет одинаковым, что приведет к нулевому отклику и сделает ГВ-детектор нечувствительным к ГИ.However, the prototype has a significant drawback due to the fact that when the direction of propagation of the GI is changed, the reference resonator also becomes sensitive to GI, as a result of which the response amplitude of the GV detector decreases, and for some directions of the detected GV signal, the effect of the GI on both resonators will be the same, which will lead to a zero response and make the GV detector insensitive to GI.

Задача, на решение которой направлено заявленное изобретение, заключается в разработке гравитационно-волнового детектора, позволяющего сохранять опорный резонатор нечувствительным к воздействию ГИ при любом направлении распространения детектируемого ГВ-сигнала и, благодаря этому, иметь максимально возможную для данного направления амплитуду отклика ГВ-детектора.The problem to which the claimed invention is directed is to develop a gravitational-wave detector, which makes it possible to keep the reference resonator insensitive to the influence of GM in any direction of propagation of the detected GW signal and, due to this, to have the maximum response amplitude of the GV detector for this direction.

Сущность изобретения заключается в том, что в известный гравитационно-волновой детектор, содержащий активный элемент и рабочую среду в нем, первое и второе частично пропускающие зеркала, глухое зеркало, поляризационную разделительную призму со взаимно ортогональными плоскостями пропускания, поляризатор и последовательно соединенные фотодетектор и систему обработки сигналов, являющуюся выходом устройства, для решения поставленной задачи введены ячейка с нелинейно поглощающим газом, пьезоэлемент, закрепленный на втором частично пропускающем зеркале, последовательно соединенные фотодетектор и система автоматической подстройки частоты, причем последовательно размещенные на пути оптического излучения первое частично пропускающее зеркало, активный элемент, поляризационная разделительная призма и первое глухое зеркало образуют первый (сигнальный) оптический резонатор стоячих волн, первое частично пропускающее зеркало, активный элемент, поляризационная разделительная призма, ячейка с нелинейно поглощающим газом и второе частично пропускающее зеркало образуют второй (опорный) оптический резонатор стоячих волн, а оптические излучения обоих резонаторов на взаимно ортогональных линейных поляризациях с выхода первого частично пропускающего зеркала через поляризатор, обеспечивающий их интерференцию, поступают на вход фотоприемника, соединенного с системой обработки сигналов, кроме того, оптическое излучение опорного резонатора с выхода второго частично пропускающего зеркала с закрепленным на нем пьезоэлементом поступает на последовательно соединенные фотодетектор и систему автоматической подстройки частоты.The essence of the invention lies in the fact that in the known gravitational-wave detector containing the active element and the working medium in it, the first and second partially transmitting mirrors, a blind mirror, a polarizing dividing prism with mutually orthogonal transmission planes, a polarizer and a photodetector and processing system connected in series signals, which is the output of the device, to solve the problem, a cell with a nonlinearly absorbing gas, a piezoelectric element fixed to the second partially prop an accelerating mirror, a photodetector in series, and an automatic frequency control system, the first partially transmitting mirror, the active element, the polarizing dividing prism, and the first dull mirror sequentially placed on the path of optical radiation forming the first (signal) optical standing wave resonator, the first partially transmitting mirror, active an element, a polarizing separation prism, a cell with a nonlinearly absorbing gas, and a second partially transmitting mirror form a W a swarm (reference) optical cavity of standing waves, and the optical radiation of both resonators on mutually orthogonal linear polarizations from the output of the first partially transmitting mirror through the polarizer, providing their interference, is fed to the input of the photodetector connected to the signal processing system, in addition, the optical radiation of the reference resonator from the output of the second partially transmissive mirror with a piezoelectric element fixed on it, it enters a series-connected photodetector and an automatic building frequency.

Введение новых элементов: ячейки с нелинейно поглощающим газом, пьезоэлемента, закрепленного на втором частично пропускающем зеркале, последовательно соединенных фотодетектора и системы автоматической подстройки частоты (АПЧ), позволяет достичь решения поставленной задачи - обеспечение нечувствительности опорного резонатора к воздействию ГИ при произвольных направлениях детектируемого ГВ-сигнала.The introduction of new elements: cells with a nonlinearly absorbing gas, a piezoelectric element mounted on a second partially transmitting mirror, a photodetector and an automatic frequency control (AFC) system connected in series, allows us to achieve the solution of the problem posed - ensuring that the reference resonator is insensitive to the action of GI for arbitrary directions of the detected GW- signal.

В известном техническом решении не предусмотрены меры по обеспечению независимости частоты генерации опорного резонатора от воздействия ГИ при произвольных направлениях детектируемого ГВ-сигнала. В отличие от известного технического решения в заявляемом изобретении за счет привязки (с помощью системы АПЧ) частоты генерации опорного резонатора к нелинейному пику поглощения газа в ячейке обеспечивается независимость частоты генерации опорного резонатора от воздействия ГИ при произвольных направлениях детектируемого ГВ-сигнала.The known technical solution does not provide measures to ensure the independence of the frequency of generation of the reference resonator from the action of the GI for arbitrary directions of the detected GV signal. In contrast to the known technical solution in the claimed invention, due to the binding (using the AFC system) of the frequency of the generation of the reference resonator to the nonlinear peak of gas absorption in the cell, the frequency of the generation of the reference resonator is independent of the influence of the GI for arbitrary directions of the detected GV signal.

Таким образом, в заявляемом ГВ-детекторе на основе лазера с двумя резонаторами (сигнальным и опорным) после введения ячейки с нелинейно поглощающим газом, пьезоэлемента, закрепленного на втором частично пропускающем зеркале, последовательно соединенных фотодетектора и системы АПЧ появляется возможность сделать опорный резонатор нечувствительным к воздействию ГИ при произвольных направлениях детектируемого ГВ-сигнала, что приведет к максимально возможной для данного направления амплитуде отклика ГВ-детектора и способности его детектировать ГВ-сигнал с любого направления.Thus, in the inventive GW detector based on a laser with two resonators (signal and reference) after the introduction of a cell with a nonlinearly absorbing gas, a piezoelectric element mounted on a second partially transmitting mirror, a photodetector and an AFC system connected in series, it becomes possible to make the reference resonator insensitive to GI with arbitrary directions of the detected GV signal, which will lead to the maximum amplitude of the response of the GV detector and the ability of its detectors for this direction to simulate a GV-signal from any direction.

Функциональная схема заявляемого устройства представлена на фиг.1.Functional diagram of the inventive device is presented in figure 1.

Активная среда 1, служащая для генерации лазерного излучения, расположена между первым частично пропускающим зеркалом 2 и поляризационной разделительной призмой 3 (типа призмы Рошона или Сенармона). По ходу прошедшего без отклонения через поляризационную разделительную призму 3 оптического излучения, исходящего из активной среды 1, расположено глухое зеркало 4. По ходу прошедшего с отклонением через поляризационную разделительную призму 3 оптического излучения, исходящего из активной среды 1, расположены последовательно ячейка с нелинейно поглощающим газом 5 и второе частично пропускающее зеркало 6. По ходу отраженного от глухого зеркала 4 оптического излучения, прошедшего через поляризационную разделительную призму 3, активную среду 1 и частично пропускающее зеркало 2, расположены последовательно поляризатор 7, фотоприемник 8 и блок обработки сигналов 9. По ходу отраженного от первого частично пропускающего зеркала 2 оптического излучения, прошедшего через активную среду 1, поляризационную разделительную призму 3, ячейку с нелинейно поглощающим газом 5 и частично пропускающее зеркало 6, расположены последовательно пьезоэлемент 10, фотоприемник 11 и система АПЧ 12.The active medium 1, which serves to generate laser radiation, is located between the first partially transmissive mirror 2 and the polarization dividing prism 3 (such as a Rochon or Senarmon prism). In the direction of the optical radiation emitted from the active medium 1 that has passed through the polarizing separation prism 3 without deviation, there is a blind mirror 4. A cell with a nonlinearly absorbing gas is arranged in series with the deviation through the polarizing separation prism 3 of optical radiation emanating from the active medium 1 5 and the second partially transmissive mirror 6. In the direction of the optical radiation reflected from the deaf mirror 4, transmitted through the polarization separation prism 3, the active medium 1 and partially transmitting mirror 2, sequentially located polarizer 7, photodetector 8 and signal processing unit 9. In the direction of the optical radiation reflected from the first partially transmitting mirror 2, passed through the active medium 1, polarizing separation prism 3, cell with non-linearly absorbing gas 5 and partially transmitting mirror 6, the piezoelectric element 10, the photodetector 11 and the AFC system 12 are arranged in series.

Устройство работает следующим образом. Оптическое излучение с полным набором поляризаций, выходя из активной среды 1, попадает на поляризационную разделительную призму 3. Часть оптического излучения с ТЕ-поляризацией после прохода без отклонения через элемент 3 автоколлимационно отражается от первого глухого зеркала 4, после чего вновь проходит через элемент 3, активную среду 1 и автоколлимационно отражается от частично пропускающего зеркала 2, обеспечивая генерацию стоячей волны ТЕ-поляризации в первом (сигнальном) резонаторе. Другая часть излучения с ТМ-поляризацией после прохода с отклонением через элемент 3 и прохождения через ячейку с нелинейно поглощающим газом 5 автоколлимационно отражается от второго частично пропускающего зеркала 6, после чего вновь проходит через элементы 5, 3, 1 и автоколлимационно отражается от частично пропускающего зеркала 2, обеспечивая генерацию стоячей волны ТМ-поляризации во втором (опорном) резонаторе. Благодаря поляризационной разделительной призме 3 происходит генерация оптических излучений на взаимно ортогональных линейных поляризациях (ТЕ и ТМ) в сигнальном и опорном резонаторах. Гравитационное излучение по-разному воздействует на их частоты генерации. Согласно методике расчета собственных частот резонаторов в поле гравитационного излучения [3], частота генерации сигнального резонатора

будет содержать гравитационно-индуцированную добавку

к частоте

в отсутствие поля ГИ:

, где θ и φ - углы, определяющие направление распространения оптического излучения относительно направления распространения ГИ,

и

- безразмерные амплитуды (≈10^-22) двух главных независимых поляризаций гравитационной волны. Информация о спектральном составе излучения, выходящего из опорного резонатора через частично пропускающее зеркало 6 на вход фотодетектора 11, поступает после фотодетектора 11 в систему АПЧ 12, которая посредством воздействия на пьезоэлемент 10, закрепленный на зеркале 6, осуществляет привязку частоты генерации опорного резонатора к частоте

нелинейного резонанса поглощения молекул газа в ячейке 5. Частота

не подвержена влиянию поля ГИ, поскольку определяется в молекулах поглощающего газа параметрами электронного перехода, зависящего в произвольном гравитационном поле, описываемом метрическим тензором пространства-времени

, только от компоненты g₀₀ [6], которая не затрагивается полем ГИ. Таким образом, в разности частот ω_S-ω_R сигнального и опорного резонаторов будет содержаться информация о поле ГИ, обусловленная только наличием гравитационно-индуцированного сдвига частоты генерации

в сигнальном резонаторе при любом направлении распространения ГИ. Выходящие с помощью частично пропускающего зеркала 2 излучения из сигнального и опорного резонаторов после прохождения через поляризатор 7, у которого плоскость пропускания света образует угол 45° с плоскостью фиг.1, на входе фотоприемника 8 создают интерференционное поле. Сигнал с фотоприемника 8 поступает в блок обработки сигналов 9, который служит для выделения полезного сигнала из шумов.The device operates as follows. Optical radiation with a full set of polarizations, leaving the active medium 1, enters the polarization separation prism 3. Part of the optical radiation with TE polarization, after passing through without deflection through element 3, is automatically collimated from the first blind mirror 4, after which it passes again through element 3, active medium 1 and is self-collimating reflected from the partially transmitting mirror 2, providing the generation of a standing TE-polarization wave in the first (signal) resonator. Another part of the TM-polarized radiation, after passing through the deflection through element 3 and passing through a cell with a nonlinearly absorbing gas 5, is self-collimating from the second partially transmitting mirror 6, after which it again passes through the elements 5, 3, 1 and is automatically collimating from the partially transmitting mirror 2, providing generation of a standing wave of TM polarization in the second (reference) resonator. Thanks to the polarization separation prism 3, optical radiation is generated on mutually orthogonal linear polarizations (TE and TM) in the signal and reference resonators. Gravitational radiation affects their generation frequencies differently. According to the method of calculating the natural frequencies of the resonators in the field of gravitational radiation [3], the generation frequency of the signal resonator

will contain a gravitationally induced additive

to frequency

in the absence of a GI field:

, where θ and φ are the angles that determine the direction of propagation of optical radiation relative to the direction of propagation of the GI,

and

- dimensionless amplitudes (≈10 ^-22 ) of the two main independent polarizations of the gravitational wave. Information about the spectral composition of the radiation coming out of the reference resonator through a partially passing mirror 6 to the input of the photodetector 11, comes after the photodetector 11 into the AFC system 12, which, by acting on the piezoelectric element 10, mounted on the mirror 6, binds the frequency of the reference resonator to the frequency

nonlinear resonance absorption of gas molecules in cell 5. Frequency

not affected by the GI field, since it is determined in the molecules of the absorbing gas by the parameters of the electronic transition, which depends on an arbitrary gravitational field described by the metric space-time tensor

, only from the component g ₀₀ [6], which is not affected by the GI field. Thus, the frequency difference ω _S -ω _{R of the} signal and reference resonators will contain information on the GI field, due only to the presence of a gravitationally induced shift of the generation frequency

in the signal cavity for any direction of propagation of the GI. The radiation coming out with the help of a partially transmitting mirror 2 from the signal and reference resonators after passing through the polarizer 7, in which the light transmission plane forms an angle of 45 ° with the plane of Fig. 1, an interference field is created at the input of the photodetector 8. The signal from the photodetector 8 enters the signal processing unit 9, which serves to isolate the useful signal from the noise.

Источники информацииInformation sources

1. Милюков В.К., Руденко В.Н. // Итоги науки и техники ВИНИТИ АН СССР, серия Астрономия, 1991, т. 41, с.147-193.1. Milyukov V.K., Rudenko V.N. // Results of science and technology VINITI USSR Academy of Sciences, series Astronomy, 1991, v. 41, p.147-193.

2. Балакин А.Б., Кисунько Г.В., Мурзаханов З.Г., Русяев Н.Н. // ДАН СССР, 1991, т. 316, №5, с.1122-1125.2. Balakin A.B., Kisunko G.V., Murzakhanov Z.G., Rusyaev N.N. // DAN of the USSR, 1991, v. 316, No. 5, p.1122-1125.

3. Balakin А.В., Murzakhanov Z.G., Skochilov A.F. // Gravitation & Cosmology, 1997, Vol. 3, N1(9), pp. 71-81.3. Balakin A.V., Murzakhanov Z.G., Skochilov A.F. // Gravitation & Cosmology, 1997, Vol. 3, N1 (9), pp. 71-81.

4. Балакин А.Б., Кисунько Г.В., Мурзаханов З.Г., Скочилов А.Ф. // ДАН России, 1998, т. 361, №4, с.477-480.4. Balakin A.B., Kisunko G.V., Murzakhanov Z.G., Skochilov A.F. // DAN of Russia, 1998, v. 361, No. 4, p. 477-480.

5. Scully M.O. and Gea-Banacloche J. // Phys. Rev., 1986, A 34, pp. 4043-4054 (прототип).5. Scully M.O. and Gea-Banacloche J. // Phys. Rev. 1986, A 34, pp. 4043-4054 (prototype).

6. Мизнер Ч., Торн К., Уилер Дж. Гравитация. В 3 томах. М.: Мир, 1977, 1519 с.6. Mizner C., Thorne K., Wheeler J. Gravity. In 3 volumes. M .: Mir, 1977, 1519 p.

Claims

Gravity-wave detector containing the active element and the working medium in it, the first and second partially transmitting mirrors, a blind mirror, a polarizing dividing prism with mutually orthogonal transmission planes, a polarizer and a series-connected photodetector and signal processing system, which is the output of the device, characterized in that a cell with a nonlinearly absorbing gas, a piezoelectric element mounted on a second partially transmitting mirror, and a photodetector connected in series are introduced into it and an automatic frequency control system, the first partially transmitting mirror, the active element, the polarizing dividing prism, and the first dull mirror sequentially placed on the path of the optical radiation forming the first (signal) optical standing wave resonator, the first partially transmitting mirror, the active element, the polarizing dividing prism, a cell with a nonlinearly absorbing gas and a second partially transmitting mirror form a second (reference) optical cavity of standing waves, and optically e the radiation of both resonators on mutually orthogonal linear polarizations from the output of the first partially transmitting mirror through the polarizer, ensuring their interference, is fed to the input of the photodetector connected to the signal processing system, in addition, the optical radiation of the reference resonator from the output of the second partially transmitting mirror with it fixed the piezoelectric element is fed to a series-connected photodetector and an automatic frequency control system.