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。     

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。     

基于高斯过程回归的线性激光束指向稳定优化

为解决激光应用中的光束指向抖动问题,提出一种基于高斯过程回归（Gaussian process regression）的激光光束指向稳定性优化方案。介绍了激光光束指向稳定系统装置构成及原理,论述了高斯过程回归方法的原理及其作为激光光束快速稳定控制算法的优势。经过该方法优化后,指向抖动达到水平方向2.3μrad,竖直方向3.3μrad,将激光系统指向稳定性提高了1个数量级以上。指向性抖动为已有线性反馈系统的20%,尤其对于高频噪声优化有显著效果。该研究对于激光光束指向性敏感的精密实验和精密加工具有重要意义。     

激光干涉引力波天文台

<正>激光干涉引力波天文台(LIGO)由分别在华盛顿州的汉弗德(Hanford)和路易斯安纳州的利弗斯通(Livingston)的两台孪生引力波探测器组成,它们彼此相距3000千米。当两个探测器同时探测到信号,才有可能是引力波。该天文台建于1999年,2002年开始运行,2015年9月14日探测到信号。     

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...     

极端质量比旋进系统高精度重校准引力波建模（英文）

针对空间引力波探测器的数据处理,需高精度高效率计算极端质量比旋进系统引力波,本文提出了一个完全重校准波形计算模型。该模型基于高精度Teukolsky方程数值求解的数据,对等效单体问题的因子化波形中所有与质量比无关的系数进行重校准,并利用重校准后的系数实现波形的高效计算(相同计算环境下效率是Teukolsky方程数值求解的1 400倍)。其精度高于已有的校准模型精度至少一个量级,可满足空间引力波探测器对于无轨道倾角准圆轨道EMRI波形的精度要求。文中还研究了致密天体的自旋以及旋进系统的质量比引起的相位偏移,发现在波形计算中自旋和质量比均不可忽略。利用该模型对极端质量比旋进系统的波形实现高精度、高效率计算对于今后的空间引力波探测器波形模版构建将发挥重大作用。     

天文学家目击中子星相撞

<正>近十来年,天文学重大突破之一是成功地协同观测中子星相撞时产生的引力波和电磁波信号。这一发现始于2017年8月17日(故编号为GW170817):随着激光干涉引力波天文台(LIGO)和室女座干涉仪(Virgo)合作组对引力波的发现、定位以及费米伽马射线空间望远镜(Fermi)的快速认证,超过70多台地面和空间探测设备在X射线、可见光、红外、射电等波段捕获了该并     

封面故事

<正>北京时间2017年10月16日晚,激光干涉引力波天文台(LIGO)科学合作组织和处女座引力波探测器(Virgo)合作组织联合召开发布会,宣布再次探测到时空的涟漪——引力波及其伴随的电磁信号,正式编号GW170817。这是人类首次直接探测到两颗中子星并合产生的引力波事件,发生在1.3亿光年外的编号为NGC 4993的星系中。此次引力波事件具有极为重要的意义,引力波及其电磁对应体的发现,有助于科学家结合不     

最初的梦想——我和物理之间的那点往事

正2015年9月14日,人类首次直接观测到来自宇宙深处两个黑洞并合撞击产生的引力波。这是第一个被激光干涉引力波天文台(LIGO)捕获的信号,经历漫漫时空13亿光年到达地球,验证了爱因斯坦一百多年前的预言,从此开启了引力波天文学一段激动人心的征程。2014年7月,我在澳大利亚墨尔本大学开始攻读物理PhD,加入LIGO科学合作组织,直接参与了     

基于ZEMAX和Python软件的空间引力波望远镜光程差算法研究与实现

利用光学设计软件ZEMAX和Python软件联合实现空间引力波望远镜光程差(optical path difference, OPD)精密求解;通过动态数据交换(dynamic data exchange, DDE)实现ZEMAX软件和Python软件数据交换:首先,Python软件对有限元分析后望远镜镜面数据进行处理,并将分析结果通过DDE传输给ZEMAX进行光线追迹;其次,ZEMAX软件对追迹后的光线坐标再通过DDE传回Python软件;最后,Python软件通过全局坐标系,计算刚体平移带来的光程差和波前的变化。模拟1 mK温度变化下引力波望远镜的受力变形,通过ZEMAX软件和Python软件求解空间引力波望远镜光程差和波前变化,结果表明光程差精度为1e-13米量级,完全可以满足望远镜皮米级稳定性精度要求。本研究可为后续引力波望远镜光机结构方案设计中光程差分析提供技术参考。     

用于引力波关键技术验证的近地低成本商业卫星设计

地面引力波探测由于受到地表振动、重力梯度等噪声以及试验尺度的限制,探测频段被限制在10Hz以上,而对于更大特征质量和尺度的波源,探测频段主要在中低频段(0. 1 mHz～1 Hz)。因此,为避免地面干扰,需要在空间进行探测。由于引力波信号微弱,探测精度极高,针对空间引力波探测,国际上提出了以LISA为代表的空间引力波探测计划,国内中国科学院也提出了太极计划。然而,国内外的引力波探测卫星计划,对卫星的技术指标、设计复杂性和成本均提出了极高要求,短期之内难以实现。针对这一现实情况,本文参考LISA pathfinder的设计思路,设计一颗近地低成本商业卫星,针对引力波探测关键技术的验证需求,进行卫星任务需求分析及结构、热控、姿态控制等关键技术分析,提出商业化的低成本技术验证初步设想,希望能对空间引力波探测卫星总体设计提供一定借鉴。     

微结构气体探测器中紫外激光束的信号和指向精度实验研究

在气体探测器研究中,利用266 nm紫外激光的双光子电离物理机制使气体电离产生可测量的信号,是一种重要的标定方法.随着微结构气体探测器(MPGD)的不断发展,用紫外激光标定来实现较高精度位置分辨率成为了一种研究需求,对此有两个关键技术问题需要解决:实验研究激光可测信号大小以及激光指向精度.分析和模拟计算了紫外光电离信号大小和激光调光误差,基于微结构气体电子倍增器探测器与266 nm波长激光束,在工作气体Ar/CO_2(70/30)中,测量了不同光斑面积与输出信号的关系;设计和研制了紫外激光调光系统,实验测量了紫外光调光偏差.模拟结果与实验结果对比分析表明:紫外激光束作用于气体探测器,探测器增益在5000,前放增益为10 mV/fC时, 6 mm读出条宽输出信号幅度约400 mV;在探测器内传播距离为400 mm时,较短时间内(10—20 min)实验调光指向精度可以保证小于5′,引入z向偏差最大可以达到0.33 mm,对应z向漂移速度的测量相对误差为6.4×10-4.该研究为MPGD与紫外激光标定实验设计提供主要的设计参考.     

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。     

高稳定激光脉冲波形精密调控技术研究与应用

提出了基于激光脉冲波形精密调控和能量稳定性控制的双回路同步闭环设计方法,进而在任意波形发生器与预放大系统输出处建立脉冲波形闭环控制系统,在保偏大模场光纤放大器和再生放大器间建立能量稳定性闭环系统。依托大口径高通量实验平台,实现了激光脉冲波形的快速高稳定精密调控,脉冲波形闭环精度优于2%（RMS）,脉冲能量稳定性优于5%（PV）。该技术成功应用到物理实验正式发射中,常规整形脉冲波形的功率准确度优于2%,相关结果有力支撑了ICF激光驱动器激光参数精密调控设计。     

《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     

空间引力波探测中的绝对距离测量及通信技术

空间引力波探测任务中,由于干涉臂臂长的巨大差异,激光频率不稳定噪声成为系统最大的噪声源之一。需采用Pound-Drever-Hall锁腔、锁臂和TDI(Time Delay Interferometer)技术三级联合,将此噪声压制到10~(-6)Hz~(1/2)量级,才能使得频率噪声低于散粒噪声。而实现TDI技术需要准确测量卫星间的绝对距离和星间通信。本文以空间引力波探测中的绝对距离测量和通信技术为背景,详细阐述此项技术的实现原理和方法。拟通过EOM(Electro-Optic Modulator)将测距伪随机码和通信码调制至主激光相位中,再传输至远端航天器。在远端航天器通过锁相环和延迟环组成的解调系统计算伪随机码的时间延迟,进而解析出卫星间的绝对距离和通信信息。相关结论可为未来的验证实验奠定理论和技术基础,同时为我国未来空间引力波探测的相关技术发展提供一定参考。     

探索的历程——引力波的发现

正2016年11日是个值得纪念的日子,这一天美国科学家对外宣布探测到引力波,这是人类首次直接探测到了引力波,同时也验证了已有百年的爱因斯坦广义相对论预言的引力波的存在。这次成果是分别由位于美国路易斯安那州列文斯顿和华盛顿州汉福德的激光干涉引力波观测台(LIGO)的一对探测器探测到的。下面就让我们回顾一下围绕引力波发生的那些事……图1,1916年6月,爱因斯坦预测了宇宙中的涟漪。根据广义相对论,引力是质量巨大物体周围时空的扭曲。爱因斯坦认为时空会产生涟漪并产生"引力波"并以光     

量子十问之九量子传感刷新测量技术极限

<正>人类社会的发展进程从某种意义上就是测量技术不断进步的过程。测量技术的核心就是追求更高的精度。当前,最精密的测量仪器是激光干涉仪引力波天文台(LIGO)。利用它人类首次观测到了引力波事件,代表了人类当前最高的测量本领。如何进一步提高测量精度,科学家们不约而同地把目光聚向基于量子力学的量子精密测量技术。一般情况下可以通过两种方式     

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。     

基于莫尔信号的精密位移测量与控制的研究

应用光衍射理论分析了一种纳米级位移分辨率的双级衍射光栅测量系统,建立了衍射莫尔信号与对应位移的数学模型,并通过计算机仿真对莫尔信号的位移特性进行了研究。在此基础上构建了一套精密位移测量与控制装置,取差动零次激光莫尔信号为控制信号,由微机控制实现高精度位移检测及全自动精密定位。实验结果表明,基于激光莫尔信号的精密检测与控制装置可获得得5nm的位移分辨率及±0.4μm的定位精度。