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引力波探测装置设计及其方法

阅读：73发布：2020-05-14

专利汇可以提供引力波探测装置设计及其方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明公开了一种引力波探测装置设计及其方法，其装置的设计利用了TRIZ和光学干涉原理。引力波探测装置组成：1. 激光器；2.循环镜；3.半透明半反射玻璃；4. 相位调节器；5.反射镜；6.相位调节器；7反射镜；8.光电二极管；9.差分器；10.相关器。其工作原理：由3个检验质量组成光学干涉仪的2个光臂。当2光臂相互垂直时，在入射引力波的作用下，2个光臂以相反的相位随着入射引力波振动，激光器发射的光束往返于2个光臂的检验质量之间。当有入射引力波存在的情况下，光电转换器件接收到从2个光臂来的光束间的位相差就会变化。高频引力波(10Hz一10kHz)是引力波探测装置最敏感的频带。，下面是引力波探测装置设计及其方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种引力波探测装置设计及其方法，其特征在于它包括: 1.激光器；2.循环镜；
3.半透明半反射玻璃；4. 相位调节器；5.反射镜；6.相位调节器；7反射镜；8. 光电二极管；9. 差分器；10.相关器。
2.如权利要求1所述的一种高频引力波测量装置，其特征在于所述的由3个检验质量组成光学干涉仪的2个光臂；当2光臂相互垂直时，在入射引力波的作用下，2个光臂以相反的相位随着入射引力波振动；激光器发射的光束往返于2个光臂的检验质量之间，当有入射引力波存在的情况下，光电转换器件接收到从2个光臂来的光束间的位相差就会变化，激光干涉仪的臂长越长，能探测到的位相差也就越大，高频引力波(10 Hz一10 kHz)是高频引力波测量装置最敏感的频带。
3. 一种使用如权利要求1所述装置设计涉及TRIZ和光学干涉原理的设计方法，其特征在于包括如下步骤：本发明提出利用TRIZ和光学干涉原理研究光学干涉仪的技术进化路线，引力波探测装置是由迈克耳孙干涉仪进化而成的，迈克耳孙干涉仪是由贾民(Jiman)干涉仪进化而成的；在图1中，我们通过实验对贾民(Jiman)干涉仪进行分析，贾民(Jiman)干涉仪的干涉条纹明亮度比较高，但是两相干光束A和B分开的间隔与平行玻璃板厚度有关，这一间隔通常比较小, 限制了一些实验，因此仪器系统的适应性较差；表1
2008TRIZ矛盾矩阵表
根据2008TRIZ矛盾矩阵表，应该改善仪器系统的“适应性”，然而减弱（恶化）干涉条纹的“明亮度”；“适应性”和“明亮度”的工程参数序号分别为32及23，在矩阵表中，第32行与23列交叉处所对应的矩阵元素的数字为推荐的发明原理序号，即1，32，35，24，17，19，
28，26；根据TRIZ推荐的8个发明原理作为技术进化路线，使用前三个发明原理将贾民干涉仪进化成迈克耳孙干涉仪，使用剩余的五个发明原理将迈克耳孙干涉仪进化成引力波探测装置；根据TRIZ推荐的发明原理1分割：将物体分割独立的部分；将图1中的两块玻璃分割成六块较薄玻璃，分别放置图2中2、3、4、5、6和7；发明原理32改变颜色：改变一个物体的透明度；将图2中3玻璃改变为半镀银玻璃板，使其为半透明半反射玻璃；发明原理35改变特性：改变浓度或密度；在图2中，改变3半透明玻璃成分的浓度，使A线和B线间隔分开后更清晰；改变玻璃5和7部分成分浓度，将其改变成反射镜，3、4和6仍然是透明玻璃；以上三个发明原理将贾民干涉仪进化成迈克耳孙干涉仪；根据TRIZ推荐的发明原理24、中介物：使用中间物体来传递或者执行一个动作；引力波作为中间物体可以执行一个动作；引力波垂直于激光的传播方向会产生与激光同频率扰动的光子流，使干涉条纹发生移动；发明原理17、转变到新维度：把光线投射到邻近的区域；因为引力波太弱了，把光线投射到邻近的区域，增加光程，使干涉臂的有效长度增加，才能提高测量精度，如图3所示，根据发明原理17我们采用两种方法增加光程：（1）增加4和5之间的距离L1，增加6和7之间的距离L2；（2）将图2中4和6的透明玻璃改为图3中4和6的相位调节器，将2透明玻璃改为循环镜，使激光在4和5之间多次反射，使激光在6和7之间多次反射；发明原理19、周期性动作：如果作用已经是周期的，则改变其频率；当引力波来到时，作用于引力波探测装置光臂的激光上，改变了激光的频率，使干涉条纹发生移动；发明原理28、代替机械系统：用光、声、热、嗅觉系统代替机械系统；当引力波到达时，改变了激光的频率，使干涉条纹发生移动，用光电二极管探测干涉条纹移动引起的光强变化，判定引力波的存在；发明原理26、复制：用光学图像代替物体(或物体系统)，然后缩小或放大它；通过8光电二极管的光强变化，利用9差分器和10相关器复制光强与相位之间的关系，得到相位的变化，获得待测引力波的值；以上使用五个发明原理将迈克耳孙干涉仪进化成引力波探测装置。

说明书全文

引力波探测装置设计及其方法

技术领域

[0001] 本发明专利涉及利用TRIZ和光学干涉原理实现的精密测量领域，尤其涉及一种引力波探测装置设计及其方法。

背景技术

[0002] 爱因斯坦在创立广义相对论时，预言了引力波的存在。运用广义相对论引力辐射理论推导出关于引力波的三个结论：(1)引力波是存在的，以光速传播；(2)引力波是横波，有两种偏振态；(3)不存在单极和偶极的引力辐射，只要系统质量四极矩的三阶导数不为零，就有引力波被辐射。引力波带有能量，因而可以被检测。

[0003] 天文学家已间接验证了引力波的存在。1993诺贝尔物理奖得主是美国的泰勒(J.H.Taylor)和赫尔斯(R.A.Hulse)，得奖原因是他们对脉冲双星PSRl913+16的发现和研究，这个双脉冲星系统成为存在引力波的第一个间接观测证据。进而人类更加渴望直接探测到引力波，引力波探测的主要目的是探测引力波动效应，这不仅是直接检验爱因斯坦广义相对论，提供引力波存在的直接证据，其更大目的是认识宇宙的结构和演化过程的新奥秘。目前所进行的引力波探测活动大部分集中在利用地面激光干涉引力波探测器探测高频引力波，以及为预计能在2018年后实现的利用空间激光干涉引力波探测器探测中低频引力波进行的开发和准备工作。

[0004] TRIZ是基于千百万个高水平发明专利的统计而提炼出来的创新方法，是科学发现、技术研发和制造过程的精髓，是当今世界最先进的创新方法之一。在科学技术部、发展改革委、教育部和中国科协印发的《关于加强创新方法工作的若干意见》中，TRIZ作为重点推广的创新方法。

[0005] 本发明专利利用TRIZ和光学干涉原理设计了一种高频引力波测量装置，在地面上探测高频引力波。

发明内容

[0006] 本发明专利提出利用TRIZ和光学干涉原理研究光学干涉仪的技术进化路线。从源头对贾民(Jiman)干涉仪进行分析，发现该仪器系统的适应性较差，限制了一些实验，根据2008TRIZ矛盾矩阵表推荐的八个相关发明原理作为技术进化路线，使用前三个发明原理将贾民干涉仪进化成迈克耳孙干涉仪，使用剩余的五个发明原理将迈克耳孙干涉仪进化成引力波探测装置。如图3所示，该仪器包括1.激光器；2.循环镜；3.半透明半反射玻璃；4.相位调节器；5.反射镜；6.相位调节器；7.反射镜；8.光电二极管；9.差分器；10.相关器。引力波探测装置的原理为：由3个检验质量组成光学干涉仪的2个光臂。当2光臂相互垂直时，在入射引力波的作用下，2个光臂以相反的相位随着入射引力波振动。激光器发射的光束往返于2个光臂的检验质量之间。当有入射引力波存在的情况下，光电转换器件接收到从2个光臂来的光束间的位相差就会变化。激光干涉仪的臂长越长，能探测到的位相差也就越大。引力波高频带(10 Hz一10 kHz)是引力波探测装置最敏感的频带。本发明专利的有益效果是：简单实用，操作方便，便于科研等应用价值。
附图说明

[0007] 下面结合附图对本发明专利进一步说明。

[0008] 图1是贾民(Jiman)干涉仪光路图。

[0009] 图2是迈克尔孙干涉仪光路图。

[0010] 图3是引力波探测装置光路图。

[0011] 图1中S为激光器以及两块等厚度的玻璃块。

[0012] 图2中1.激光器；2.透明玻璃；3. 半透明半反射玻璃；4. 透明玻璃；5. 反射镜；6. 透明玻璃；7. 反射镜；8. 毛玻璃屏。

[0013] 图3中1.激光器；2.循环镜；3.半透明半反射玻璃；4. 相位调节器；5.反射镜；6.相位调节器；7.反射镜；8.光电二极管；9.差分器；10.相关器。

具体实施方式

[0014] 本发明专利提出了利用TRIZ和光学干涉原理研究光学干涉仪的技术进化路线。引力波探测装置是由迈克耳孙干涉仪进化而成的，迈克耳孙干涉仪是由贾民(Jiman)干涉仪进化而成的。1880年，美国物理学家迈克耳孙在柏林大学的H.V.亥姆霍兹实验室，探测地球在“以太”中运动时，将贾民干涉仪改进成迈克耳孙干涉仪。在图1中，我们通过实验对贾民(Jiman)干涉仪进行分析，贾民(Jiman)干涉仪的干涉条纹明亮度比较高，但是两相干光束A和B分开的间隔与平行玻璃板厚度有关，这一间隔通常比较小, 限制了一些实验，因此仪器系统的适应性较差。根据2008TRIZ矛盾矩阵表，应该改善仪器系统的“适应性”，然而减弱（恶化）干涉条纹的“明亮度”。“适应性”和“明亮度”的工程参数序号分别为32及
23，在矩阵表中，第32行与23列交叉处所对应的矩阵元素的数字为推荐的发明原理序号，即1，32，35，24，17，19，28，26。根据TRIZ推荐的8个发明原理作为技术进化路线，使用前三个发明原理将贾民干涉仪进化成迈克耳孙干涉仪，使用剩余的五个发明原理将迈克耳孙干涉仪进化成引力波探测装置。

[0015] 表1 2008TRIZ矛盾矩阵表根据TRIZ推荐的发明原理1分割：将物体分割独立的部分。将图1中的两块玻璃分割成六块较薄玻璃，分别放置图2中2、3、4、5、6和7。

[0016] 发明原理32改变颜色：改变一个物体的透明度。将图2中3玻璃改变为半镀银玻璃板，使其为半透明半反射玻璃。

[0017] 发明原理35改变特性：改变浓度或密度。在图2中，改变3半透明玻璃成分的浓度，使A线和B线间隔分开后更清晰；改变玻璃5和7部分成分浓度，将其改变成反射镜，3、4和6仍然是透明玻璃。

[0018] 以上三个发明原理将贾民干涉仪进化成迈克耳孙干涉仪。迈克耳孙发明了此干涉仪并使用其进行基本度量学研究获得1907年诺贝尔物理奖，他是第一位取得这种荣誉的美国人。

[0019] 根据TRIZ推荐的发明原理24、中介物：使用中间物体来传递或者执行一个动作。引力波作为中间物体可以执行一个动作。引力波垂直于激光的传播方向会产生与激光同频率扰动的光子流，使干涉条纹发生移动。

[0020] 发明原理17、转变到新维度：把光线投射到邻近的区域。因为引力波太弱了，把光线投射到邻近的区域，增加光程，使干涉臂的有效长度增加，才能提高测量精度，所以美国建造的引力波探测器臂长最长达到了4000米。如图3所示，根据发明原理17我们采用两种方法增加光程：（1）增加4和5之间的距离L1，增加6和7之间的距离L2；（2）将图2中4和6的透明玻璃改为图3中4和6的相位调节器，将2透明玻璃改为循环镜，使激光在4和5之间多次反射，使激光在6和7之间多次反射。

[0021] 发明原理19、周期性动作：如果作用已经是周期的，则改变其频率。当引力波来到时，作用于引力波探测装置光臂的激光上，改变了激光的频率，使干涉条纹发生移动。 [0022] 发明原理28、代替机械系统：用光、声、热、嗅觉系统代替机械系统。当引力波到达时，改变了激光的频率，使干涉条纹发生移动，用光电二极管探测干涉条纹移动引起的光强变化，判定引力波的存在。

[0023] 发明原理26、复制：用光学图像代替物体(或物体系统)，然后缩小或放大它。通过8光电二极管的光强变化，利用9差分器和10相关器复制光强与相位之间的关系，得到相位的变化，获得待测引力波的值。

[0024] 以上使用五个发明原理将迈克耳孙干涉仪进化成引力波探测装置。在引力波探测装置（图3）中，1.激光器；2.循环镜；3.半透明半反射玻璃；4. 相位调节器；5.反射镜；6. 相位调节器；7.反射镜；8. 光电二极管；9. 差分器；10. 相关器。其工作原理：由3个检验质量组成光学干涉仪的2个光臂。当2光臂相互垂直时，在入射引力波的作用下，2个光臂以相反的相位随着入射引力波振动。激光器发射的光束往返于2个光臂的检验质量之间。当有入射引力波存在的情况下，光电转换器件接收到从2个光臂来的光束间的位相差就会变化。激光干涉仪的臂长越长，能探测到的位相差也就越大。高频引力波(10 Hz一10 kHz)是引力波探测装置最敏感的频带。

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