引力波与引力波探测

简要介绍引力波的理论预言与探测现状 ,讨论近年来激光干涉仪引力波探测器的研制工作。     

黑洞的合并

最近利用引力观测所的激光干涉仪（Laser Interferometer Gravitational—Wave Observatory，LIGO）和空间天线激光干涉仪（Laser Interferometer Space Antenna LISA）的探测器对两个黑洞在碰撞时辐射的引力波进行了精确的观测与计算．两个黑洞进行碰撞时，在它们的周围会向外发射出巨大的突发性的引力波，这些波非常有利于探测器对它们的搜索．     

压缩的光线和引力波

一种在高精度光学测量中降低啄声的方法将很快用于引力波的探测，探测引力波的最有希望的途径是观测引力波在探测器中（如激光干涉仪引力波观测站）悬挂着的镜子上的细微的效应．     

面向天基引力波探测的时间延迟干涉技术

时间延迟干涉技术(Time-delay?Interferometry,TDI)对中国引力波探测项目及其它天基激光精密测量任务具有重要的参考价值.在天基引力波探测任务中,需利用激光干涉仪对无拖曳检验质量块间实现十皮米量级的位移测量精度.其中,激光源频率噪声和时钟频率噪声是两项主要噪声.在欧洲主导的LISA(Laser?I...     

地下引力波探测器

日本物理学家建成了世界上第一个地下引力波探测器.初步检验表明,由于地下的环境噪声减低使得在矿井中的激光干涉仪引力波小型观测站(LISM )能够稳定地工作.探测器安置在超神冈中微子探测器附近地下1km深处.引力波是时空结构中的波动,可由空间中大块物质加速而产生.然而,即使像     

Rainer Weiss：引力波探测的50年

<正>作为构思和实现历史上最大实验之一的核心的实验物理学家,诺贝尔奖获得者Rainer Weiss通往成功的路径是不同寻常的。2015年,在爱因斯坦提出广义相对论一百年后,位于美国的激光干涉引力波天文台(LIGO)首次探测到引力波,证实了广义相对论的最后一个预言。2017年,Rainer Weiss由于对LIGO探测器与引力波探测的决定性贡献,与Barry Barish和Kip Thorne共享了诺贝尔物理学奖。     

地基引力波探测激光干涉仪的真空残余气体噪声分析

引力波是时空弯曲产生的涟漪波动.引力波探测对促进人类认识自然和科学技术进步均具有深远意义.由于引力波信号非常微弱,地基引力波探测器需要超高真空环境来保证激光干涉仪的稳定运行.本文阐述了残余气体噪声对地基引力波探测装置灵敏度的影响,并从第三代地基引力波探测原型机和全尺寸装置的真空系统设计出发,通过理论分析和模拟,给出真空系统压强、环境温度、残余气体质量和种类、测试质量的曲率半径等因素对引力波探测灵敏度的影响.这为引力波探测原型机和全尺寸装置的真空系统设计和建设提供了重要的理论依据.     

美将建造两个大型引力波记录站

 美国科学家计划建造记录强大引力波的两个大型观测站,这项计划由加利福尼亚理工学院和马萨诸塞理工学院共同实施。众所周知,曾被爱因斯坦预言存在的引力波应该是由于巨大太空灾变而产生的时空连续统一体,巨大太空灾变是指超新星爆发、黑洞形成或近距离恒星作用等。但是迄今为止一直没有能成功发现引力波踪迹,为了记录引力波踪迹建造的LIGO观测站将由两个直径超过1米像“L”字母形式放置的空心圆柱体组成。两圆柱体内将保持超真空状态,它们的长度达到整整4000米。每个圆柱体内部将安放激光干涉仪:一边放有激光光源和激光自动记录仪,另一边是用导线悬挂带有反射镜面的重物。     

诺奖“花落”LIGO

<正>2017年诺贝尔物理学奖授予了Rainer Weiss,Barry Barish和Kip Thorne。获奖理由是"对激光干涉引力波天文台(LIGO)和引力波观测的决定性贡献"。获奖者们将会于12月10日在斯德哥尔摩的颁奖仪式上收到各自的奖牌。奖金共900万瑞典克朗(823000英镑)。其中,Weiss独享一半奖金,Barish和     

激光干涉引力波探测器——人类的宇宙助听器

爱因斯坦预言引力波100周年之际,人类首次直接探测到引力波信号。文章简单介绍了这次的主角——高新激光干涉引力波天文台(advanced LIGO)的光学与激光部分技术。激光干涉引力波探测器,本质上是一个迈克尔孙干涉仪。原初的迈克尔孙干涉仪也曾在否定以太理论、促使相对论创立的过程中起关键作用。而基于爱因斯坦受激发射理论发展起来的激光技术也在引力波探测中立下汗马功劳。出于协同测量与定位以及扩展引力波探测频段等方面的考虑,除LIGO之外,还有多个地面和空间激光干涉引力波探测器在建或在研。可以预计,当前只是引力波探测技术与引力波天文学发展的开端。     

英国开发出一部引力波探测光学观测仪器

据国外媒体报道,近日英国牵头开发出了一部引力波探测光学观测仪器系统。据悉,该仪器系统在英国进行关键试验顺利,对于探测引力波至关重要的太空技术已经为搭乘火箭进行空天超重试验做好了准备。据介绍,这项新仪器技术指的是“激光干涉仪太空天线”（LISA）,LISA航天器旨在验证未来用于观测引力波的必要关键技术。该光学装置由位于格拉斯哥大学的引力研究所（IGR）建造和试验,现已被运送到德国阿斯特里姆公司,与其他科学模块集成。     

一种新的宇宙信使

正激光干涉仪引力波天文台(LIGO)和室女座引力波探测器(Virgo)最近对两颗并合中子星的引力波进行了第一次观测,连同来自全球多台望远镜和空间卫星的数据,开启了多信使天文学的新纪元。Imre Bartos描述了这个划时代的时刻,这是数十年研究的辉煌成果,也将塑造观测天文学的未来。     

光和原子关联与量子计量

物理量的测量与单位标准的统一推动了计量学的发展.量子力学的建立,激光技术的发明以及原子与分子物理学的发展,在原理与技术上进一步刷新了计量学的研究内涵,特别是激光干涉与原子频标技术的发展,引起了计量学革命性的飞跃.基于激光干涉的引力波测量、激光陀螺仪,基于原子干涉的原子钟、原子陀螺仪等精密测量技术相继诞生,一个以量子物理为基础,探索与开拓物理量精密测量方法与技术的新的科学分支——量子计量学(Quantum Metrology)已然兴起.干涉是计量学中最常用的相位测量方法.量子干涉技术,其相位测量精度能够突破标准量子极限的限制,是量子计量学与量子测量技术的核心研究内容.本文重点介绍近几年我们在量子干涉方面所取得的新开拓与新发展,主要内容包括基于原子系综中四波混频过程的SU(1,1)型光量子关联干涉仪和基于原子系综中拉曼散射过程的光-原子混合干涉仪.     

相对论通过LIGO的全面审查

正LIGO探测器记录的引力波信号跟广义相对论的预言毫无偏差。人类历经50多年的努力,在爱因斯坦广义相对论预言引力波约100年后的2015年9月14日,利用LIGO干涉仪终于首次直接测得引力波。观察到的事件被称为GW150914,源于两个黑洞相撞。它们并合前的质量分别为太阳质量的29倍和36倍;并合的残骸是一个     

面向空间引力波探测的低噪声稳频激光器

基于未来卫星间激光干涉任务的需求,介绍了一种基于迈克耳孙光纤干涉仪稳频的1064 nm激光稳频系统,该系统采用全光纤器件,结构紧凑、体积小、可靠性强。通过拍频测试,得到该系统的频率噪声在30 mHz～1 Hz范围内小于30 Hz/Hz1/2,频率稳定度在积分时间为1 s和1000 s时分别为1.2×10-14和3×10-13。该系统的性能满足LISA任务对稳频激光的需求,有望应用于未来的空间引力波探测任务。     

引力波及激光观测原理

近期引力波话题火热,为使本科生对引力波有系统的了解,本文由爱因斯坦经典引力理论出发,考虑在远离场源的弱场近似,细致推导得到波速为光速、在空间上以横波形式传播的引力波的波动方程,并且指出引力波只存在两种独立的极化状态,即引力波两个独立的偏振方向。之后对激光观测引力波实验的理论进行合理性分析。得出装有法布里-珀罗腔结构的迈克耳孙干涉仪具备观测引力波能力的结论。     

外差式激光干涉仪光学读出的两种新算法的设计与实现

纳米级和皮米级激光测距是光学技术中的重要一环,同时也是深空引力波探测实验所必须的技术。德国汉诺威的爱因斯坦研究所为此提出并实现了一种基于相位深度调制技术的外差式激光干涉仪,作为LISA计划测距系统的后备方案,在数值处理过程中使用了Levenberg-Marquardt非线性拟合方法作为干涉仪光学读出算法。探讨并展示了另外两种新的外差干涉仪光学读出拟合算法。第一种算法采用近似并迭代的数值方法将拟合过程分为两次迭代:第一次估算干涉仪的调制深度和调制相位,第二次线性迭代拟合干涉仪的相位和振幅。另外一种算法首先利用离散傅里叶变换计算频谱,然后从频谱中拟合出干涉仪的调制相位,之后采用高斯-牛顿迭代方法线性拟合调制深度、相位和振幅。在空气中长时间运行的结果显示,第一种拟合算法的连续测距误差小于0.24nm,第二种算法的误差在0.19nm左右,比原来的非线性拟合算法分析得到的误差小了5～6倍。     

引力波的预言、探测和发现

引力波是爱因斯坦在广义相对论的重要预言,引力波探测是当代物理学最重要的前沿领域之一。以引力波探测为基础的引力波天文学是一门新兴的交叉科学,是对传统电磁辐射天文学的巨大拓展与补充。文中讨论了引力波的预言和特性,给出了引力波探测的主要方法,详细分析了激光干涉仪引力波探侧器的工作原理和基本结构,介绍了引力波事例GW150914的主要参数和探测、数据处理。     

激光干涉仪引力波探测器的噪声和灵敏度

 引力波是爱因斯坦“广义相对论”的重要预言，引力波探测是当代物理学重要的前沿领域之一。引力波的发现开辟了引力波天文学研究的新纪元。早在1916年，爱因斯坦就根据弱场近似，预言了引力波的存在。但是直到今天引力波才被发现，前仆后继，科学家为之奋斗达百年之久。关键的困难就是引力波强度太弱，引力波探测器的灵敏度太低，引力波信号完全湮没在噪声本底之中。在引力波天文学研究蓬勃发展的今天，降低噪声、提高灵敏度仍是激光干涉仪引力波探测器发展的关键课题。     

光热正弦相位调制干涉仪中相位的抗干扰测量

在正弦相位调制半导体激光干涉仪中,半导体激光波长随注入电流和温度漂移而产生相位测量误差,同时干涉仪的机械振动和干涉仪两臂中的空气扰动也会引入相位误差,在已有光热正弦相位调制干涉仪中引入反馈机制,有效地降低了上述误差,增强了干涉仪的抗干扰能力,使用此干涉仪测量了物体的位移,测量结果表明这种方法可以有效地提高相位的测量精度。