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。     

引力、引力波和引力波的探测

简要地回顾了引力和引力波概念的由来,以及人们为探测引力波所作的各种努力．     

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．     

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。     

捕捉引力波

 一、足够精确的牛顿引力理论在宏观物理世界中,引力是一种主要的作用。太阳东升西坠,地球四季交替,海水潮涨潮落,众多自然现象都受到引力的支配。1687年,牛顿在前人的研究基础上,导出了万有引力定律。利用万有引力定律可以圆满地解释哥白尼的学说和开普勒的行星运动三定律。牛顿引力理论的精彩之处还有准确地预言了海王星和冥王星的存在,指导天文学家成功地发现了这两颗太阳行星。按牛顿的引力理论,两物体间的引力作用是瞬间完成的。但爱因斯坦认为,光速是任何作用的极限速度,因此引力作用不可能在瞬间实现。1905年,爱因斯坦发表著名的历史文献《论动体的电动力学》,建立了狭义相对论。在以后     

引力波天文学——一个观测宇宙的新窗口

引力波是爱因斯坦\     

空间引力波探测望远镜初步设计与分析

引力波的直接观测已开启引力波天文学的新篇章,爱因斯坦的百年预言终获证实。空间引力波探测器使得探测0.1 m Hz~1 Hz频段丰富的引力波源成为可能,与地面引力波探测器互为补充,才可实现更加宽广波段的引力波探测,揭开宇宙早期的更多秘密。空间激光干涉引力波探测采用外差干涉测量技术,测量间距百万公里的两自由悬浮测试质量间10 pm量级的变化量。望远镜是激光干涉测量系统的重要组成部分,1 pm的光程稳定性及苛刻的杂散光要求,不同于传统的几何成像望远镜。本文根据空间太极计划任务需求,对望远镜的功能及技术要求进行了分析,并完成了原理样机的初步方案设计,针对百万公里远场波前分布,分析了望远镜系统的敏感性,同时完成了在轨光机热集成仿真,为后面原理样机的研制奠定了技术基础。     

用于静态/动态复合信号的改进对称解调技术

提出一种可测量外腔式Fabry-Perot传感器所加载的静态/动态复合信号的腔长自补偿改进对称解调技术。在对称解调技术的基础上,通过其输出信号的直流量判断传感器腔长的变化,从而划分腔长稳定段与突变段,分段并重新进行信号解调,以保证动态分量的解调精度;同时利用腔长变化前后计算出的干涉信号相位差对腔长的变化量进行补偿,以提高静态分量的测量精度。实验证明该解调技术能够实现对静态/动态复合信号的测量。实验中实现了幅度超过100μm复合信号的解调,大幅度腔长变化量的测量误差约为2%。该解调技术能够解调不同腔长传感器上加载的包含高频分量的静态/动态复合信号。     

用激光干涉仪检测引力波

 1887年,迈克尔逊和莫雷用干涉仪所做的实验,证明了相对于“以太”的绝对运动是不存在的,“以太”不能作为绝对参照系,该实验成了爱因斯坦狭义相对论的实验基础。 如今,爱因斯坦的相对论问世80年了,其理论已被物理界很多学者所验证和确认。但是,爱因斯坦的理论所预言的“引力波”还未被任何实验所验证,爱因斯坦的“电磁力与引力统一”理论认为,对应电荷振动释放“电磁波”,质量振动,要释放“引力波”。电磁波容易检测,而引力波因强度太低很难检测。例如,质量为1万吨,长为2m的棒,以每秒200圈旋转时放出的引力波,在2000km处,只能引起10^-37的空间波动(即相距为1m的两质点间距离变化不过10^-37m)。这个值用现代科技手段是不可能检测的。 值得庆幸的是,在天体运动变化中,有巨大能量以引力波的形式放出的现象。如两个中子星合体时会放出强引力波;超新星爆发时,其巨大的潜能释放,会放出强引力波脉冲。     

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。     

基于光纤白光干涉测量技术的折射率测量仪

设计了基于光纤白光干涉测量技术的折射率测量仪,用来测量尺寸较小、形状简单的透光材料折射率。与传统折射率检测方法相比较,光纤折射率测量仪具有设备尺寸小、测量精度高、操作简易、便于携带等优点。实验测得某种石英玻璃的折射率值为1.464,与标准值偏差为0.02,误差为1.4%;测得某种普通玻璃的折射率为1.502,与标准值偏差为0.002,误差为0.1%;测得K9玻璃的折射率为1.507,与标准值偏差为0.009,误差为0.6%。     

高灵敏度光纤温度传感器

针对深井温度变化小,提出了一种可用于深井温度测量的高灵敏度光纤温度传感器。两根陶瓷插芯从铝管的两端插入构成外腔式光纤法珀干涉仪(EFPI)结构,用螺钉固定插芯,再用高强度的环氧树脂密封该结构,达到防水防尘效果。金属铝和陶瓷插芯具有不同的热膨胀系数,温度的变化将引起EFPI腔长变化,采用高灵敏度光纤白光干涉测量技术,就可以通过测量EFPI腔长获得被测温度。分别在固定温度和不同温度下,对腔长为146.5μm的EFPI光纤温度传感器进行了连续测量。测量结果表明,高灵敏度EFPI光纤温度传感器的腔长-温度灵敏度为260nm/℃,温度测量分辨率为0.002℃。     

调频连续波光纤压力传感器及其测量特性分析

为了满足压力测量中的高灵敏度、高分辨率、高可靠性等要求,本文提出了一种基于调频连续波激光干涉解调原理的高精度膜片式珐珀腔光纤压力传感器.首先推导了基于该原理的压力测量模型,然后搭建了一套测量装置,通过气泵向SUS631不锈钢膜片组成的密封腔连续给压,得出气压在0～600 kPa范围内变化时膜片中心(即珐珀腔腔长变化量)...     

基于马赫曾德干涉光路的光压测量装置设计

基于马赫曾德干涉原理,设计搭建了可调制与放大干涉条纹的光压测量装置.由频率和功率可调制脉冲激光产生光压,使真空中两面高反镀铝薄膜产生微小形变(位移),从而使由氦氖激光器发射、经半反半透镜分束的参考光和信号光的光程差改变,即干涉条纹发生改变.用CCD记录干涉条纹位移量,数据处理获得干涉条纹位移量和薄膜形变量的关系,计算出脉冲激光在薄膜处的光压.分别讨论了脉冲激光入射角度、频率等参量对检测结果的影响,并通过双角度入射方法消除了热辐射效应的影响.该检测装置可测得最小光功率为15.0mW所产生的光压大小为13.42μPa,线性工作范围为15.0mW(13.42μPa)至200mW(1179μPa),且工作稳定、灵敏度高,测量结果准确.