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。     

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．     

空间引力波探测计划-LISA系统设计要点

为了验证广义相对论,世界各国竞相开展了空间引力波探测方面的研究。本文以欧洲空间引力波探测LISA(Laser Interferometer Space Antenna)计划为例,根据基线设计,对LISA系统有效载荷及主要组件的设计进行了分析和阐述。LISA主要探测和研究低频引力波辐射,其工作频段为10^-3~1 Hz,工作距离为5×10⁶ km,预计能探测到双致密星系统以及星系合并引起的超大质量并合等波源,测距精度达到pm量级。以上研究希望能对我国未来的空间引力波探测计划有一定启示。     

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.     

引力波来了

正相距3000 km的两台激光干涉仪,几乎同时听到了远方的召唤——激情共舞的两个黑洞,终于胜利会师,唱响了嘹亮的战歌。2016年2月11日,激光干涉式引力波观测项目(LIGO)负责人宣布,我们检测到了引力波。我们成功了!四十多年艰苦卓绝的研究工作,终于取得了辉煌的成就。上世纪60年代,麻省理工学院的Rainer Weiss提出,可以用干涉仪测量引力波。1972年,Weiss在一份内部报告中,讨论了长度为几千米的激光干涉仪,列出了所有可     

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。     

空间环境之光学探测

 自然界中多姿多彩、纷繁变幻的光学现象激励人们不断认知和探索丰富的未知世界。在地球大气层之外, 存在一个叫做“空间环境”的领域, 它涵盖从离地面大约20 km 开始一直延伸到太阳的广阔空间。     

引力波天文学——一个观测宇宙的新窗口

引力波是爱因斯坦\     

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。     

空间引力波望远镜远场相位噪声抑制方法

空间引力波望远镜的波像差与指向抖动耦合产生的远场相位噪声是引力波探测的主要噪声源。基于其产生的理论机制,建立了噪声耦合系数与望远镜像差间的函数关系,提出了控制特定像差的优化策略。结合望远镜设计实例验证了该方法对抑制远场相位噪声的效果,当波前质量水平为λ/20（λ=1064nm）时,优化后的噪声耦合系数优于0.11 pm/nrad,较优化前降低了一个数量级,远优于指标要求,所提方法极大地提升了望远镜的远场相位稳定性。     

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。     

光学亚表面损伤的探测和后处理技术

光学元件被污染和亚表面存在的缺陷将使它的性质受损。即使是微小尺寸的缺陷（小于φ1μm）也会引起激光损伤。国外研究表明，光学元件在其制造过程中形成的亚表面缺陷是导致紫外损伤的主要根源之一。光学元件的损伤问题已成为高功率固体激光装置研制的核心问题，而紫外的损伤尤为严重。     

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。     

一种精确测量光学球面曲率半径的方法

在简要总结各种检测光学球面曲率半径方法优缺点的基础上,提出了利用激光跟踪仪和激光干涉仪测量光学球面曲率半径的新方法。首先,通过激光跟踪仪精确定位测量干涉仪出射球面波前的焦点和待测球面镜的曲率中心点坐标,再调整待测球面镜与干涉仪的相对位置,使待测球面镜达到零条纹干涉状态,用激光跟踪仪测定此时待测球面镜上多点的位置坐标,通过计算分析即可得到待测球面镜的曲率半径。研究和分析了这种测量光学球面曲率半径方法的基本原理,并提出了针对凸球面镜曲率半径的多区域测定平均综合优化的方法。结合实例对一口径为400mm的球面透镜进行了曲率半径的测量,测量得到其两面曲率半径分别为1022.283mm(凸面)和4069.568mm(凹面),并将该透镜进行了轮廓法测量对比,其相对误差都小于0.05%。     

纳米光学和生物单分子探测

纳米光学技术展示了纳米级探测本领,同时生物单分子探测所需要分辨尺度也是纳米数量级的,因此在生物单分子探测过程中,纳米光学发挥了巨大的作用.文章介绍了与生物单分子探测技术相关的纳米光学技术,包括量子近场光学探针技术、近场光学成像技术（包括扫描近场光学显微术及全内反射荧光显微术）和激光光钳测控技术及它们在生物单分子探测上的进展,从而在染色、成像、测控三个方面展示了纳米光学技术在生物方面的应用,并对其未来的发展方向进行了展望.     

大型光学惯性稳定跟踪仪器稳像精度测试系统原理方案探讨

本文主要探讨大型光学惯性稳定跟踪仪器稳像精度或瞄准线稳定精度测试原理方案设想及其框图、稳像精度计算公式及本测试系统的关键技术。     

一种基于远场图像的稀疏光学合成孔径系统共相探测新方法的仿真研究

稀疏光学合成孔径系统中,共相探测环节检测子孔径间的相位平移误差,为系统高分辨力的实现提供重要支持. 文章从基本的物理原理出发,分析了系统远场与相位平移误差的关系,并以此为基础,从数学上阐明了 相位平移误差对系统远场图像的影响机制.进一步,针对典型的两孔径系统,提出了一种新的基于远场相似度 的共相探测方法,并对其可行性、原理性偏差和动态范围进行了仿真分析.结果表明,该方法在原理上可实现 对两孔径系统相位平移误差的良好标定,且避免了一些既有方法可能存在的2π模糊性及无法判断符号的问题,具有一定的动态范围,为共相探测新技术的进一步研究提供了有效参考.     

一种基于空间光程差调制的条纹位置测量方法

提出了一种基于空间光程差调制的条纹位置测量方法,用于恒星干涉仪条纹搜寻和条纹追踪.来自基线两端的两光束合束时,通过合束器在两光束之间引入一个倾角,用以实现静态的空间光程差调制.使用成像透镜将静态光程差调制得到的白光干涉条纹成像到CCD探测器上.白光条纹位置的偏移与两光束之间的光程差大小相关,使用获得的干涉条纹实时计算白光条纹位置,测量出两束光之间的光程差,用于延迟线的实时光程差补偿,从而可以稳定干涉条纹.数值模拟和实验结果表明,采用该方法获得的最大光程差测量误差为0.159μm,小于数值模拟和实验所用宽带光的平均波长0.555μm,测量精度满足条纹相干的要求.与时间调制方法相比,该方法原理和算法简单,且对于大气扰动更不敏感.     

光学诊断专题序言

光学诊断技术主要是以激光技术、光谱技术、光电探测技术、数据图像处理技术等为基础的一种综合性测试诊断技术可以实现复杂流场温度、组分浓度、速度、流场结构等参量信息的高时空分辨精确测量而且对测量流场无扰动.近年来光学诊断技术已开始从实验室基础研究走向于各类风洞、发动机等重要设备的工程应用这对于深入研究高超声速流动和燃烧化学反应动力学过程如高焓非平衡流动、高超声速边界层转捩、超声速燃烧动力学、汽车/飞机/火箭/卫星等发动机燃烧不稳定性和污染控制等具有重要意义.