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。     

无拖曳控制技术研究及在我国空间引力波探测中的应用

无拖曳控制技术通过控制微推力器产生的推力来抵消航天器受到的非保守力,其是获得超静超稳空间实验平台的关键技术之一。首先总结了无拖曳控制技术的研究现状与发展趋势,系统地总结了国外历次无拖曳航天器控制系统的详细设计方案以及国内的研究进展,随后分析了无拖曳控制技术的特点以及所面临的挑战,并概括了无拖曳控制所涉及到的关键技术。最后针对我国空间引力波探测对无拖曳控制技术的需求做了详细的分析与展望。     

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。     

超外差干涉绝对距离测量研究综述

近几年来，基于多波长干涉理论的绝对距离测量技术取得了很大的进展。其中，超外差绝对距离干涉测量可以克服光学元件引起的模耦合误差，这是普通的外差干涉测量所不能避免的。超外差测量还能够实现合成波长相位的实时检测。本文简要介绍了多波长干涉测量（也叫小数重合法）的基本原理，论述和分析了超外差干涉测量的原理，指出了超外差测量的优点。最后，对超外差测量的方案进行了综述，并指出了它们在实际测量中的特点。     

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。     

激光干涉引力波天文台探测到的引力波事件中的黑洞

2016年2月11日,激光干涉引力波天文台(LIGO)发布了震惊世界的科学新闻：爱因斯坦100年前预言的引力波终于被人类探测到了！而且这个引力波事件GW150914来自于两个恒星级质量黑洞的并合！众多大众和专业媒体都对此做了大量的报道和介绍,引起了大众的普遍关注,因此文章将从不同的角度简要回答有关产生这个引力波事件中的两个黑洞的几个问题：为什么爱因斯坦不相信黑洞存在？怎么知道这样的天体是黑洞？物质是如何掉到黑洞里面的？如何获得独立的证据证明这样的引力波事件的确来自于黑洞的并合？探测这样的引力波事件对于我们理解黑洞有什么进一步的作用？     

大尺寸绝对距离测量的现状及发展

大尺寸绝对距离测量技术是解决工业生产中大型零件高精度测量的重要手段。本文介绍了该技术的基本原理及国内外发展现状，并对影响测量精度的三个重要因素作了分析和讨论，并预言超短波Ｘ激光、自适应光学及集成光学技术将会在该领域得到广泛应用     

《中国光学》“空间引力波探测”专题征稿

正2016年2月12日,美国LIGO地面引力波探测实验组正式宣布人类历史上第一次直接观测到了宇宙中双黑洞并合产生的引力波信号,开启了迈向引力波天文学的新纪元。2017年10月3日,2017年诺贝尔物理学奖授予三位LIGO引力波实验组的科学家,以奖励他们在"LIGO探测器以及引力波探测方面的决定性贡献"。2017年10月16日,美国LIGO和意大利室处女座引力波天文台(Virgo)联合宣布于2017年8月17日首次     

光学频率梳啁啾干涉实现绝对距离测量

本文提出一种基于光学频率梳的啁啾脉冲干涉绝对距离测量的方法.通过一对衍射光栅啁啾参考脉冲,分析参考脉冲和测量脉冲的干涉光谱,得到脉冲的中心频率偏移量,从而解算出被测距离.文中详细分析了脉冲啁啾原理和啁啾脉冲干涉测距原理,以及影响测距范围的因素并给出仿真.搭建了改进的Michelson干涉结构,实验得出测距范围受啁啾参数的影响,并与理论分析吻合;在地下长导轨上,进行大范围测距实验.实验结果表明当,在65 m范围内,测量结果与参考测距仪相比,测距精度为33μm,相对精度达到5.1×10~(-7).此外,根据理论分析,通过实验优化了实验装置的测量不确定度.     

动态啁啾脉冲干涉的快速绝对距离测量

提出了一种基于动态光学频率梳啁啾脉冲干涉的绝对距离快速测量方法.借助于重复频率的线性扫描,可获取啁啾光谱干涉信号中最宽条纹的动态频率偏移,从而完成被测距离的高精度测量.动态重复频率能够延伸光谱仪探测极限,相应地减小测量盲区,并且基于合成波长也使得测量非模糊范围得到极大的拓展.本文测距系统无需重复频率的锁定,能够摆脱对锁相环等复杂应用模式的依赖,在简化系统的同时借助铷钟提供精准时钟参考,从而进一步提高测量精度.此外,电荷耦合器件成像帧速以及重复频率扫描速度的提升可实现干涉信号的快速采集,弥补传统光谱干涉测量以及腔调谐方式在探测速度上的不足.实验结果表明,本文方法单点测距数据更新率为13.5 Hz,相较于参考数值,在20 m的测量范围内,测量不确定度优于27 μm,相对精度为1.35 × 10^-6.     

从引力波探测中的压缩光到光原子钟

2020年度“墨子量子奖”授予量子精密测量领域,获奖科学家是Carlton Caves,香取秀俊和叶军.香取秀俊和叶军又获得2021年基础物理学突破奖.对于引力波探测中的量子噪声,Caves分析了海森堡不确定关系所带来的测量精度极限,并且提出用压缩光来克服这个极限.这个方法已经被探测引力波的激光干涉仪实际采用.原子钟基于原子中电子改变能量状态时,发射或吸收的电磁波,提供了最精确的时间和频率标准.与基于微波的原子钟相比.光原子钟,特别是光晶格上的大量原子,可以达到更好的精度.叶军的研究组将约1万个锶原子放在3维光晶格中,实现光原子钟,相对精度达到2.5×10^-19.香取秀俊的研究组搭建的两个可移动光原子钟,精度达到了5×10^-18,并用来测量了引力红移,达到地面测量的最好精度.     

用于绝对距离测量的波长扫描干涉仪信号分析

提出了一种可用于绝对距离测量的波长扫描光纤干涉仪。在时域和频域上，对其输出信号进行了研究。理论分析了法布里－珀罗腔多光束干涉所产生的干扰以及扫描过程中波长的随机漂移对输出信噪比的影响。由此提出了外腔光源结构和加工精度的要求，并设计了相应的信号处理算法，达到了距离测量所要求的０．０５μｍ的精度和０．０１μｍ的分辨率     

具有位移和绝对距离测量能力的回馈干涉系统

提出一种基于半导体激光器泵浦Nd∶YAG微片激光器的回馈干涉系统，适合于非配合目标的位移和绝对距离测量。该测量系统包括移频回馈干涉光学系统，基于泵浦调制的微片激光器调频系统和相敏检波信号处理系统3部分。介绍了移频回馈干涉的原理，给出了位移测量和绝对距离测量应用的原理和测量方法，分析了测量的分辨率。实际测量了发黑工件表面的位移和绝对距离。实验结果表明，该回馈干涉系统灵敏度高，对被测表面反射率的要求很低，兼有对非配合目标的高分辨率位移测量和绝对距离测量的能力。     

光学频率梳基于光谱干涉实现绝对距离测量

详细分析了光学频率梳光谱干涉的原理, 建立了较全面的光谱干涉的数学模型, 为实现绝对距离测量提供理论分析基础. 基于光谱干涉, 指出通过光谱干涉条纹的振荡频率, 即一次傅里叶变换, 可以实现绝对距离测量, 数值模拟结果表明, 最大测量误差为1.5 nm; 提出了一种等效的多波长并行零差干涉的方法, 分析了多波长并行零差干涉法的测距原理. 数值模拟结果表明, 多波长并行零差干涉法的最大误差为8.7 nm; 通过脉冲啁啾实现绝对测距, 分析了基于脉冲啁啾实现绝对测距的原理, 数值模拟结果表明, 最大测距误差为5.3 nm.     

基于交替起振光电振荡器的大量程高精度绝对距离测量技术

提出了一种基于交替起振的光电振荡器的大量程、高精度绝对距离测量方法.此方法构建了两个光电振荡环路,分别为测量环和参考环.通过切换光开关实现测量/参考光电振荡器的交替起振;通过切换微波开关实现光电振荡器高阶/低阶振荡模式的转换;通过频率计依次记录测量/参考光电振荡器的高阶/低阶振荡频率,然后计算测量/参考光电振荡器的腔长进一步得到绝对距离.本方案的优点是:由于采用了测量/参考两个光电振荡器腔长相减的方法消除系统自身的漂移,不需要控制腔长,结构简单.实验中,利用公里量级的光纤来模拟大量程的待测距离,利用高步进精度的光延时线来模拟距离变化.在等效6 km的空间往返待测距离上,测量误差为3.5μm,相对测量精度达到5.8×10~(–10).     

引力波探测中的标志性事例GW170814和GW170817

金秋十月是收获的季节,引力波探测也频传佳音,不平凡的第四个事例GW170814和第五个事例GW170817相继发现。     

用117μm合成波长实现绝对距离干涉测量

根据以前双纵模绝对距离测量中合成波长过大导致误差较大的缺点,设计了一种新型多波长绝对距离干涉测量系统。采用633 nm双纵模He-Ne激光器中的一个纵模和629 nm波长的He-Ne激光组成117μm合成波长,使用双外差干涉技术对距离改变进行精密测量。静态稳定度和动态测量实验表明,由于采用了较小的合成波长,系统的测量不确定度可以达到3.8×10-6L+57 nm,在500 mm的距离上不确定度小于2μm。最后从合成波长不确定性的角度,对干涉系统中的误差作了分析。该系统如能与双纵模拍波测量作衔接则可实现对被测距离由粗至精的测量。     

相位激光测距与外差干涉相结合的绝对距离测量研究

 为了克服一般绝对距离测量方法量程和精度不能同时满足的问题,提出一种相位激光测距与外差干涉相结合的绝对距离测量方案。该方案使用相位激光测距技术进行粗测,双纵模He-Ne激光器外差干涉测长技术进行精测,保证两者结合的单值性。建立测量系统,对方案的可行性进行了实验验证,并对影响系统稳定性的因素进行了分析。与双频激光干涉仪的比对结果表明：测量标准差优于1mm,可以满足一些大尺寸的测量精度要求。