空间引力波探测中的激光干涉多自由度测量技术

在空天探索领域,空间引力波探测是当前国际研究热点,核心技术是测量相距数百万千米的两测试质量间的平动转动等多个自由度,探测灵敏度需要在1 mHz～1 Hz频段达到～1 pm/Hz^1/2以及～1 nrad/Hz^1/2水平。目前,激光干涉是实现如此远距离的两个物体之间多自由度测量的最精密的手段,本文介绍了面向空间引力波探测的激光外差多自由度超精密测量技术,概述了其光路结构、测量原理、相位信号处理方法,回顾了近三十年国内外相关研究进展,并分析了空间引力波探测中外差干涉测量的噪声源作用机制以及相关研究进展。最后,对激光外差干涉多自由度超精密测量技术的发展趋势和前景作了展望。     

激光帮助探测引力波

国际合作可能是探测假想的最特殊形式辐射的关键。作为德国和英国的一个联合项目而建立在德国汉诺威附近的一个新系统GEO600将协调配合美国和意大利试图探测引力波的系统。这种波是爱因斯坦预言的，他推测，诸如星体爆炸、黑洞撞击和宇宙一开始时产生的大碰撞之类的强烈天文事件可能形成引力波。引力波探测的问题在于这种波所产生的任何预期效应的大小。当引力波通过时，它引起空间的应力畸变，这种畸变可作为质量相对移动而探测，但该移动是如此之小，以致至今还不能用最灵敏的测量技术来探测。GEO600以激光干涉仪为基础，所测的预期长…     

用外差干涉法探测固体表面激光超声的研究

简述了用外差干涉法探测固体表面激光超声的原理和实验结果，提出并论证了提高外差干涉法探测激光超声信号强度的方法和途径。     

空间探测激光干涉仪在太空中寻找黑洞

在未来 1 0年里 ,三枚卫星将在远离地球的精确三角形上互相发射激光。这听起来像是杀气腾腾的主动战略防御系统的预演。事实上 ,这可能是引力波研究的下一步 ,被称为L ISA,即空间探测激光干涉仪。在美国和欧洲天体物理学家眼中价值 5 0亿美元。研究者们将 LISA作为 L IGO(引力波探测激光干涉仪 )和其他在地球上建立的引力波探测器的孪生姊妹。但 LISA和 L IGO的区别就象射电望远镜和光学望远镜的区别一样 ,它能够“看到”引力波光谱的不同部分。L ISA三个臂中的任一个能够延伸 5 0 0万公里。这使得它对空间跨越巨大范围的引力波很…     

用高稳定激光探测引力波

用高稳定激光探测引力波作为法国和意大利名为ＶＩＲＧＯ计划的组成部分，将用具有几十公里长臂（每臂均有光学延迟线）的大规模迈克尔逊干涉仪探测引力波。干涉仪用超稳定二极管激光泵浦的Ｍｄ：ＹＡＧ板状激光器泵浦。引力波专家认为，使用千米长臂的大型干涉仪和超稳定...     

中低频水下声信号的激光干涉法探测

基于迈克尔逊干涉仪原理,提出了在非平静水面情况下探测中低频水下声信号的激光干涉方法。利用携带声波信息的散射光和参考光的干涉结果提取水下声信号的频率信息,并进行了理论分析和实验验证,结果表明,激光干涉法可以准确探测出中低频水下声信号的频率信息。     

激光外差探测中的空间失配问题研究

基于高斯本振光与高斯信号光的激光外差探测系统物理模型,利用数值模拟的方法研究了空间失配角、偏移失配、本振光与信号光的光程差、探测器相对位置以及探测器光敏面直径等因素对外差效率及外差信号幅值的影响.结果表明:外差效率及外差信号幅值受空间失配角和偏移失配的影响较大;并针对实际激光外差探测系统中空间失配角及偏移失配等因素对外...     

基于AD8302的激光外差干涉信号解调技术

为了改善传统硬件相位测量中存在电路复杂、测量精度低、工作频带宽窄等诸多缺陷,利用AD8302的良好高频测相能力,设计了一种新的激光外差干涉信号处理系统,分析了其工作原理,并取得了静态、动态实验数据。结果表明,系统测量误差小于0.5,使外差干涉理论测量分辨率提高到0.088nm,更有利于微振动信号的测量。     

基于迈克尔逊干涉仪的模拟引力波探测实验

利用迈克尔逊干涉仪搭建一个模拟引力波探测的实验装置,在实验中分别使用光电法和视频示踪法记录声波引发的干涉条纹明暗变化情况,通过迈克尔逊干涉仪探测声波类比引力波的探测过程。实验具有测量结果准确、现象直观、平台易搭建的特点,可用于大学物理实验探究性教学和中小学科普教学。     

激光探测水下声信号的实验研究

在实验室条件下,对于不同频率、不同振动强度的水下声音信号展开激光相干探测研究,建立了基于该方法的实验系统。水表面在水下声音信号作用下产生波动时,用激光照射水表面,其产生的水表面散射光携带了声波信息并与参考光发生干涉,对干涉信号进行采集并处理可得到水下声信号的频率与强度信息。对不同条件下得到的实验结果进行对比分析。实验结果表明,激光相干探测技术可有效地探测水下声信号,并且随着声信号的频率提高、强度减弱,探测效果趋于变差。实验系统采用全光纤光路设计,取得了较好的效果。     

Optical heterodyne detection of an atmospherically distorted signal wave front

The effect of atmospheric distortion of an optical wave front on the performance of an optical heterodyne detection system is examined theoretically. With the distortion measured by the phase and log-amplitude structure functions, an exact expression is derived relating the distortion to the detector signal-to-noise ratio. It is shown that because of distortion there is a limit to the achievable signal-to-noise ratio no matter bow large the detector collection aperture is. The minimum aperture diameter which will (nearly) achieve this limit, called the efficiency saturation dimension r0, is obtained in terms of the phase and log-amplitude structure fractions. Using the current theory for propagation in a turbulent medium, an expression for r0is obtained for a receiver in the atmosphere looking at a source above the atmosphere. The expression is in terms of the wavelength, the receiver altitude, and the zenith angle of the receiver line-of-sight.     

Optical FSK signal detection in a heterodyne system using semiconductor lasers

A 10?8 bit error rate is achieved for 100 Mbit/s signals in an FSK heterodyne frequency-discrimination detection system, in which AlGaAs double-heterostructure lasers are used as both the FSK transmitter and the local oscillator. Receiving signal power level to achieve a low bit error rate is experimentally obtained, which confirms the principle of optical heterodyne detection. AM quantum noise in the laser local oscillator and FM quantum noise are important factors which determine the system performance.     

Multi-beam interference competition in heterodyne detection

In a typical infrared optical system, the “Narcissus” effect exists extensively. This concept can be extended into a heterodyne detection. In a heterodyne detection, besides the probe and local oscillator beams, a third coherent beam or even more beams caused by spurious reflection might interfere with each other on the surface of the photodetector. Generation of heterodyne signal is dependent on the interference effects between regular and unexpected waves. Based on the theory of PM demodulation, we analyze the effect of multi-beam interference competition in a laser Doppler vibrometer (LDV). A mathematical analysis demonstrates that the signal competition depends on the modulation index, the amplitude ratio of competing signals and their relative phases. The distortion of demodulated signal due to the appearance of ripples or spikes is also predicted in this study. These effects are verified by setting up an all-fiber LDV system for measuring vibration.     

激光外差玻璃厚度测量系统检测电路的设计

为了检测激光外差玻璃厚度测量系统中的激光外差信号,介绍了激光外差玻璃测厚系统测量原理,通过对几种光电检测电路性能特征进行分析,设计出适合本系统光电检测电路,为激光外差检测提供了一种单元模块电路。     

空间引力波探测超前瞄准机构研制与测试

探测低频引力波需要脱离地缘噪声干扰,在空间搭建激光干涉引力波探测装置。太极、LISA、天琴等空间引力波探测任务,计划在几十万到几百万公里量级的臂长上实现皮米级的位移测量精度,以满足引力波探测的要求。在探测任务中,考虑轨道季节性变化和星间激光传输时间等因素,发射光束需要一个超前角度,确保远端望远镜能够接收到光束,从而完成星间激光干涉。针对发射光束需要超前角度的需求,设计并研制了一款用于激光干涉链路中提供超前角度的光束指向机构,即超前瞄准机构。该机构基于将偏转轴配置在反射镜面上的设计理念,采用柔性铰链和杠杆配合的结构形式,利用压电陶瓷自闭环进行驱动控制,实现光束一维高精度偏转。对该机构进行仿真分析,验证其力学特性以及偏转范围。对所研制的机构进行了一系列实验测试,结果表明,该机构偏转范围可达到709.4μrad,偏转精度可达到0.44μrad,机构偏转引起的光程差优于10 pm/(Hz)^1/2 (1～10 Hz)。从而验证了该机构设计的可行性,为实现光束超稳高精度偏转提供一定的参考。     

空间引力波望远镜主反射镜系统的结构设计优化

针对空间引力波望远镜主反射镜系统的结构及支撑组件进行了设计与优化。主反射镜运用了侧面3点支撑对镜体进行约束,并对支撑点的选取与布局进行了研究。反射镜采用能够实现较大弯曲刚度的背部钻孔式半封闭构型,通过有限元计算结合多目标遗传算法对反射镜轻量化结构进行了参数优化,在不降低面形精度的条件下使镜体结构轻量化率达到74%。设计了一种由两个无阻隔串联式柔度单元组合而成的可调节双轴连杆型Bipod柔性铰链结构,其可对反射镜面形误差进行补偿。建立了柔性铰链并联机构作用于反射镜的数学模型,对其进行了基于MATLAB的参数取值分析,并通过有限元方法完成了对参数取值的修正。最后进行了空间热载荷条件下的反射镜面形分析,结果表明反射镜面形误差优于λ/60,满足设计要求。     

采用MOPA结构的光学外差干涉激光器

为了满足激光干涉成像,尤其是傅里叶望远镜成像对差频稳定的高功率光学外差干涉模式的需要,提出基于主振功放（MOPA）结构的光学外差干涉激光器的概念,并通过实验验证可行性。从原理上指出现有产生光学外差干涉模式方法的局限性,同时给出基于MOPA结构的光学外差干涉激光器的主要优点。指出基于MOPA结构的激光器可能存在明显影响相干性和产生光频漂移等的限制并设计实验验证。结果表明:功率放大过程对相干性没有明显影响,经过单级功放仍能保持线宽小于0.1 GHz（根据实测相干长度计算线宽约30 MHz）,功放过程和倍频过程对光频漂移无影响,实测频漂小于10 Hz,与声光移频器的频率稳定性相吻合,故推知频漂完全由移频器引起。     

伪随机序列调制的激光外差探测

在激光外差探测中,为了增强在频谱密度上对多普勒频移峰值的识别能力,提升对目标的探测概率,提出一种采用伪随机序列对连续激光进行调制的外差探测方法.应用伪随机序列的M序列码对发射激光和本振光同时进行频率调制,接收信号光和经时间延迟后的本振光相干叠加形成拍频信号.其特点是二进制码调制同时作用于发射信号光和本振光,使外差信号频...     

Crosstalk penalty in a two-channel ASK heterodyne detection system with non-negligible laser line width

Crosstalk penalties as a function of channel spacing were measured in a two-channel ASK heterodyne system using 1·55?m DFB lasers. For an IF linewidth/bit rate ratio of 0.5, the channel spacing in the IF domain must be greater than 13 times the bit rate for negligible crosstalk penalty.