技术领域
[0001] 本
发明属于
引力波探测领域，主要涉及一种基于飞秒激光的
太阳系尺度深空引力波探测方法及装置。
背景技术
[0002] 多年以来，引力波探测一直是世界各国的研究热点，引力波的探测是对
广义相对论预言的直接验证，也是对其核心思想的直接检验，并且对探讨引力场的量子化和大统一模型、研究
宇宙起源和演化具有重大意义。引力波的探测直接促成了引力波天文学的诞生，使得用引力波代替传统的
电磁波手段观测宇宙成为可能，这可以为我们提供大量过去无法获得的信息，为人们进一步加深对宇宙的理解提供了新的途径。
[0003] 远距离精密位移探测是引力波探测的核心技术，目前的探测方法多基于激光干涉仪。美国的LIGO、德国的GEO600、意大利的VIRGO和日本的TAMA300等地面引力波探测器，测程可达几十公里；美国的LISA、欧洲的NGO等空间引力波探测器，测程可达数百万公里；中国和欧洲合作的ASTROD等深空引力波探测器测程将达到上亿公里，而其后续任务的测程更远，将在外太阳系尺度上展开精密位移探测。
[0004] 然而，在上述深空引力波探测任务中，由于测程遥远，以目前的光束整形技术，即使出射光的光束发散
角仅为几个微弧度，在到达遥远的目标端时，光斑也将扩散得极其明显；再加上光路中不可避免的光学损耗，测距系统的回光功率与被测距离呈四次方关系剧烈衰减，系统最终探测到的回光
能量仅为出射能量中很小的一部分。例如，空间引力波探测项目LISA中的系统回光能量仅为出射光能量的1/1010，ASTROD中的系统回光能量仅为出射光能量的3/1014。回光功率过小将会导致测距系统的
信噪比大幅度降低，进而测量
精度无法满足需求，甚至根本无法测量。
[0005] 在远距离激光测距领域，如2002年，Journal of Geodynamics第34卷第三期发表文章《Asynchronous laser transponders for precise interplanetary ranging and time transfer》；又如2010年，光电工程第37卷第5期发表文章《异步应答激光测距技术》，均在被测端采用异步应答器对测距系统的脉冲功率进行放大，使得系统回光功率由被测距离的四次方衰减函数变为了平方衰减函数，大幅度扩展了系统测程。但是，该方法放大后的脉冲序列与原脉冲序列相比存在时域延迟及时钟不同步的问题，不能在放大脉冲功率的同时保留原脉冲
信号的时域信息，只能通过其它手段进行补偿，导致测距精度难以突破毫米量级。且该方法需要在距离遥远的两个测量端之间实现高精度时钟同步和实时通信。
[0006] 在引力波探测领域，如2003年，Physical Review D第67卷第12期发表文章《Implementation of time-delay interferometry for LISA》；又如2012年，Journal of Geodesy第86卷第12期发表文章《Intersatellite laser ranging instrument for the GRACE follow-on mission》，均提出了双向激光干涉位移探测方法，通过被测端的从属
激光器配合测量端的主激光器进行测量，其测程可以达到五百万公里。但是，双向干涉仪仍然无法满足ASTROD等深空引力波探测任务上亿公里的测程需求，且该方法需要距离遥远的两个测量端之间实现实时通信与高精度时钟同步，这在上亿公里的距离尺度上是很难实现的。
[0007] 近年来，随着飞秒激光技术的发展，飞秒脉冲测距方法逐渐进入了人们的
视野。其主要优势在于脉冲能量非常集中，可以在瞬间达到极高的
峰值功率。相比于干涉测量和双向干涉测量等连续波测量方法，在相同的激光器
平均功率下，系统回光功率可以提高多个甚至十余个量级，因而更适合于超远距离测量。此外，基于飞秒激光的测距方法相比于传统脉冲测距方法而言，可以达到更高的精度。
[0008] 在飞秒激光测距领域，如2010年，Nature Photonics第4卷第10期发表文章《Time-of-flight measurement with femtosecond light pulses》；又如2012年，物理学报第61卷第24期发表文章《基于飞秒激光平衡光学互相关的任意长绝对距离测量》，均提出一种针对飞秒脉冲的平衡光学互相关方法，通过测量脉冲和参考脉冲之间的时域
锁定，实现了纳米量级的测距精度。但在超远距离测量中，该方法尚不足以满足深空引力波探测任务的测程需求，且随着被测距离的增大，其测量误差线性增大，无法满足空间引力波探测任务的精度需求。此外，在超远距离测量中，由于测量光的往返时间很长，极大地影响了测量系统的动态特性，使得该方法只能测量静态目标，无法实现位移探测。
[0009] 综上所述，目前在引力波探测领域缺少一种基于飞秒激光的太阳系尺度深空引力波探测方法及装置。
发明内容
[0010] 本发明针对上述引力波探测和远距离激光测量方法及装置探测灵敏度较低、测程有待进一步提高、以及距离遥远的测量端之间难以实现实时通信和高精度时钟同步等问题，提出并设计了一种基于双向飞秒脉冲的深空引力波探测方法及装置。利用三颗卫星在太阳系轨道上构成了等臂长差动探测结构，两个测量臂均采用了脉冲时域锁定式双向测量结构，实现了上亿公里尺度的深空引力波探测，探测灵敏度可以达到亚纳米量级，同时避免了相距遥远的卫星之间的实时通信和高精度时钟同步问题。
[0011] 本发明的目的通过以下技术方案实现：
[0012] 一种双向飞秒脉冲高精度位移探测方法，该方法步骤如下：
[0013] a、将主星、从星A和从星B按照预设轨道发射，三颗卫星均匀分布在太阳系轨道上，构成边长约为2.7亿公里的等边三角形；主星分别与从星A和从星B构成两个等臂长的测量臂，对两个臂长的相对变化进行精密探测；
[0014] b、在位于主星的测量端中，一号飞秒激光器发出的飞秒激光脉冲序列经过一号分光光路后分为两束；第一束作为测量信号A发射向遥远的从星A，第二束作为测量信号B发射向遥远的从星B；
[0015] c、在位于从星A的一号主动
反射器中，二号飞秒激光器发出的飞秒激光脉冲序列经过二号分光光路后分为两束；其中一束作为回
光信号A发射回遥远的主星，另一束作为参考信号A与探测到的测量信号A一同由二号平衡光电探测单元进行探测；对参考信号A与探测到的测量信号A进行平衡光电探测后产生反馈信号，进而对二号飞秒激光器的腔长进行反馈控制，通过改变其脉冲重复
频率，实现参考信号A与探测到的测量信号A的高精度脉冲时域互锁；同时，在位于从星B的二号主动反射器中，三号飞秒激光器发出的飞秒激光脉冲序列经过三号分光光路后分为两束；其中一束作为回光信号B发射回遥远的主星，另一束作为参考信号B与探测到的测量信号B一同由三号平衡光电探测单元进行探测；对参考信号B与探测到的测量信号B进行平衡光电探测后产生反馈信号，进而对三号飞秒激光器的腔长进行反馈控制，通过改变其脉冲重复频率，实现参考信号B与探测到的测量信号B的高精度脉冲时域互锁；
[0016] d、在位于主星的测量端中，探测到的回光信号A和回光信号B一同由一号平衡光电探测单元进行探测；对回光信号A和回光信号B进行平衡光电探测后产生反馈信号，通过光延迟线扫描的方式对回光信号B的光程进行反馈控制，实现回光信号A和回光信号B的高精度脉冲时域互锁；
[0017] e、当引力波以合适的角度扫过时，两个测量臂都将产生极为微小的反向位移，导致回光信号A和回光信号B在时域上产生偏差；一号控制单元控制光延迟线扫描单元改变回光信号B的光程，使得回光信号A和回光信号B的脉冲序列重新锁定，则精密位移台产生的位移量即为两个测量臂产生的位移之差，亦即目标引力波信号。
[0018] 一种基于双向飞秒脉冲的深空引力波探测装置，其测量端包括一号飞秒激光器、一号分光光路、一号平衡光电探测单元、一号控制单元和光延迟线扫描单元；在两个被测端分别设置了一号主动反射器和二号主动反射器，构成对引力波信号的等臂长差动探测结构，两个等长的测量臂均采用了脉冲时域锁定式双向测量结构；所述一号主动反射器由二号飞秒激光器、二号分光光路、二号平衡光电探测单元和二号控制单元组成；二号飞秒激光器的输出光指向二号分光光路；二号分光光路的输出光分别指向测量端和二号平衡光电探测单元的输入端；二号平衡光电探测单元的输出端连接到二号控制单元的输入端；二号控制单元的输出端连接到二号飞秒激光器；所述二号主动反射器由三号飞秒激光器、三号分光光路、三号平衡光电探测单元和三号控制单元组成；三号飞秒激光器的输出光指向三号分光光路；三号分光光路的输出光分别指向测量端和三号平衡光电探测单元的输入端；三号平衡光电探测单元的输出端连接到三号控制单元的输入端；三号控制单元的输出端连接到三号飞秒激光器。
[0019] 所述一号分光光路的结构是：一号飞秒激光器的输出光经过一号四分之一波片和一号偏振分光镜后分为两束；其中一束
透射光经过四号四分之一波片和一号扩束
准直器后射向一号主动反射器；另一束反射光经过二号四分之一波片和三号扩束
准直器后射向二号主动反射器；一号主动反射器发射过来的激光经过二号扩束准直器、五号四分之一波片、二号反射镜和二号偏振分光镜后射向一号平衡光电探测单元；二号主动反射器发射过来的激光经过四号扩束准直器、三号四分之一波片和一号反射镜后射向角锥反射镜；角锥反射镜的反射光经二号偏振分光镜反射后也射向一号平衡光电探测单元。
[0020] 所述二号分光光路的结构是：二号飞秒激光器的出射光经过七号四分之一波片和四号偏振分光镜后分为两束；其中一束透射光经过八号四分之一波片和六号扩束准直器后射向主星测量端；另一束反射光经过三号偏振分光镜后射向二号平衡光电探测单元；同时，从主星测量端发射过来的激光经过五号扩束准直器、六号四分之一波片和三号偏振分光镜后也射向二号平衡光电探测单元。
[0021] 所述三号分光光路的结构是：三号飞秒激光器的出射光经过十号四分之一波片和六号偏振分光镜后分为两束；其中一束透射光经过十一号四分之一波片和八号扩束准直器后射向主星测量端；另一束反射光经过五号偏振分光镜后射向三号平衡光电探测单元；同时，从主星测量端发射过来的激光经过七号扩束准直器、九号四分之一波片和五号偏振分光镜后也射向三号平衡光电探测单元。
[0022] 本发明具有以下特点及有益效果：
[0023] (1)两个测量臂均采用了脉冲时域锁定式双向测量结构，将系统回光功率由被测距离的四次方衰减函数变为了平方衰减函数，实现了上亿公里尺度的超远距离深空探测，探测灵敏度可以达到亚纳米量级。
[0024] (2)三颗卫星构成的等臂长探测结构在很大程度上抵消了激光器频率误差带来的影响，通过光延迟线扫描对光程进行反馈控制实现了对引力波信号的差动探测，保证了超远距离位移探测过程中亚纳米量级的探测灵敏度。
[0025] (3)主星测量端与两个从星主动反射器之间相对独立，避免了相距遥远的卫星间的实时通信和高精度时钟同步问题。
附图说明
[0026] 图1为本发明的总体配置结构示意图。
[0027] 图2为本发明的装置结构示意图。
[0028] 图中件号说明：1一号平衡光电探测单元、2一号飞秒激光器、3三号分光光路、4三号平衡光电探测单元、5三号控制单元、6三号飞秒激光器、7二号平衡光电探测单元、8二号控制单元、9二号飞秒激光器、10二号分光光路、11一号分光光路、12光延迟线扫描单元、13一号控制单元、14一号四分之一波片、15一号偏振分光镜、16二号四分之一波片、17三号扩束准直器、18七号扩束准直器、19九号四分之一波片、20五号偏振分光镜、21三号整形
电路、22三号控制电路、23十号四分之一波片、24六号偏振分光镜、25十一号四分之一波片、26八号扩束准直器、27四号扩束准直器、28三号四分之一波片、29四号四分之一波片、30一号扩束准直器、31五号扩束准直器、32六号四分之一波片、33三号偏振分光镜、34二号整形电路、
35二号控制电路、36七号四分之一波片、37四号偏振分光镜、38八号四分之一波片、39六号扩束准直器、40二号扩束准直器、41五号四分之一波片、42二号反射镜、43二号偏振分光镜、
44一号反射镜、45一号整形电路、46角锥反射镜、47一号控制电路、48精密直线
导轨、49精密位移台。
具体实施方式
[0029] 下面结合附图对本发明
实施例进行详细描述。
[0030] 本实施例的基于双向飞秒脉冲的深空引力波探测装置，图1为其总体配置结构示意图，图2为其装置结构示意图，该装置的测量端包括一号飞秒激光器2、一号分光光路11、一号平衡光电探测单元1、一号控制单元13和光延迟线扫描单元12；在两个被测端分别设置了一号主动反射器和二号主动反射器，构成对引力波信号的等臂长差动探测结构，两个等长的测量臂均采用了脉冲时域锁定式双向测量结构；所述一号主动反射器由二号飞秒激光器9、二号分光光路10、二号平衡光电探测单元7和二号控制单元8组成；二号飞秒激光器9的输出光指向二号分光光路10；二号分光光路10的输出光分别指向测量端和二号平衡光电探测单元7的输入端；二号平衡光电探测单元7的输出端连接到二号控制单元8的输入端；二号控制单元8的输出端连接到二号飞秒激光器9；所述二号主动反射器由三号飞秒激光器6、三号分光光路3、三号平衡光电探测单元4和三号控制单元5组成；三号飞秒激光器6的输出光指向三号分光光路3；三号分光光路3的输出光分别指向测量端和三号平衡光电探测单元4的输入端；三号平衡光电探测单元4的输出端连接到三号控制单元5的输入端；三号控制单元5的输出端连接到三号飞秒激光器6。
[0031] 所述一号分光光路11的结构是：一号飞秒激光器2的输出光经过一号四分之一波片14和一号偏振分光镜15后分为两束；其中一束透射光经过四号四分之一波片29和一号扩束准直器30后射向一号主动反射器；另一束反射光经过二号四分之一波片16和三号扩束准直器17后射向二号主动反射器；一号主动反射器发射过来的激光经过二号扩束准直器40、五号四分之一波片41、二号反射镜42和二号偏振分光镜43后射向一号平衡光电探测单元1；二号主动反射器发射过来的激光经过四号扩束准直器27、三号四分之一波片28和一号反射镜44后射向角锥反射镜46；角锥反射镜46的反射光经二号偏振分光镜43反射后射向一号平衡光电探测单元1。
[0032] 所述二号分光光路8的结构是：二号飞秒激光器9的出射光经过七号四分之一波片36和四号偏振分光镜37后分为两束；其中一束透射光经过八号四分之一波片38和六号扩束准直器39后射向主星测量端；另一束反射光经过三号偏振分光镜33后射向二号平衡光电探测单元7；同时，从主星测量端发射过来的激光先后经过五号扩束准直器31、六号四分之一波片32和三号偏振分光镜33后也射向二号平衡光电探测单元7。
[0033] 所述三号分光光路3的结构是：三号飞秒激光器6的出射光经过十号四分之一波片23和六号偏振分光镜24后分为两束；其中一束透射光经过十一号四分之一波片25和八号扩束准直器26后射向主星测量端；另一束反射光经过五号偏振分光镜20后射向三号平衡光电探测单元4；同时，从主星测量端发射过来的激光先后经过七号扩束准直器18、九号四分之一波片19和五号偏振分光镜20后也射向三号平衡光电探测单元4。
[0034] 一种基于双向飞秒脉冲的深空引力波探测方法，该方法步骤如下：
[0035] a、将主星、从星A和从星B按照预设轨道发射，三颗卫星均匀分布在太阳系轨道上，构成边长约为2.7亿公里的等边三角形；主星分别与从星A和从星B构成两个等臂长的测量臂，对两个臂长的相对变化进行精密探测。
[0036] b、在位于主星的测量端中，由一号飞秒激光器2发出的飞秒激光脉冲序列经过一号四分之一波片14后由线偏振光变为了圆偏振光，其
波长λ为1550nm；脉冲重复频率f为100MHz；脉冲周期T为10-8s；脉冲宽度w为10fs。该圆偏振光经过一号偏振分光镜15后分为两束，被透射的P光作为测量信号A，记为Sma，经过四号四分之一波片29后变为圆偏振光，再经过一号扩束准直器30的扩束准直后发射向远方的从星A；被反射的S光作为测量信号B，记为Smb，经过二号四分之一波片16后变为圆偏振光，再经过三号扩束准直器17的扩束准直后，发射向远方的从星B。
[0037] c、在位于从星A的一号主动反射器中，步骤b中的Sma经过约2.7亿公里的传播后，由二号分光光路10接收。探测到的测量信号A，记为Sma’，经过五号扩束准直器31和六号四分之一波片32后变为P光，又经过三号偏振分光镜33的透射后射向二号平衡光电探测单元7。由二号飞秒激光器9发出的飞秒激光脉冲序列经过七号四分之一波片36后由线偏振光变为了圆偏振光，其波长λa为1550nm；脉冲重复频率fa约100MHz；脉冲周期Ta约10-8s；脉冲宽度wa为10fs。该圆偏振光经过四号偏振分光镜37后分为两束，被透射的P光作为回光信号A，记为Sba，经过八号四分之一波片38后变为圆偏振光,再经过六号扩束准直器39的扩束准直后，发射回远方的主星；被反射的S光作为参考信号A，记为Sra，经过三号偏振分光镜33的反射后射向二号平衡光电探测单元7。Sma’和Sra经过平衡光电探测后产生反馈信号A。反馈信号A在二号整形电路34中经过滤波、放大和整形后，进入二号控制电路35；由二号控制电路35产生
控制信号，对二号飞秒激光器9的脉冲重复频率进行反馈控制，从而实现Sra和Sma’在时域上的实时重叠与锁定，亦即Sba和Sma’之间的脉冲时域互锁。
[0038] 同样地，在位于从星B的二号主动反射器中，步骤b中的Smb经过约2.7亿公里的传播后，由三号分光光路3接收。探测到的测量信号B，记为Smb’，经过七号扩束准直器18和九号四分之一波片19后变为P光，又经过五号偏振分光镜20的透射后射向三号平衡光电探测单元4。由三号飞秒激光器6发出的飞秒激光脉冲序列经过十号四分之一波片23后由线偏振光变-8
为了圆偏振光，其波长λb为1550nm；脉冲重复频率fb约100MHz；脉冲周期Tb约10 s；脉冲宽度wb为10fs。该圆偏振光经过六号偏振分光镜24后分为两束，被透射的P光作为回光信号B，记为Sbb，经过十一号四分之一波片25后变为圆偏振光,再经过八号扩束准直器26的扩束准直后，发射回远方的主星；被反射的S光作为参考信号B，记为Srb，经过五号偏振分光镜20的反射后射向二号平衡光电探测单元7。Smb’和Srb经过平衡光电探测后产生反馈信号B。反馈信号B在三号整形电路21中经过滤波、放大和整形后，进入三号控制电路22；由三号控制电路
22产生控制信号，对三号飞秒激光器6的脉冲重复频率进行反馈控制，从而实现Srb和Smb’在时域上的实时重叠与锁定，亦即Sbb和Smb’之间的脉冲时域互锁。
[0039] d、在主星中，步骤c中的Sba经过约2.7亿公里的传播后，由主星分光光路11接收。探测到的回光信号A，记为Sba’，为圆偏振光，经过二号扩束准直器40和五号四分之一波片41后变为P光，又经过二号反射镜42和二号偏振分光镜43后射向一号平衡光电探测单元1。
[0040] 同时，步骤c中的Sbb经过约2.7亿公里的传播后，由主星分光光路11接收。探测到的回光信号B，记为Sbb’，为圆偏振光，经过四号扩束准直器27和三号四分之一波片28后变为S光，又经过一号反射镜44、角锥反射镜46和二号偏振分光镜43后射向一号平衡光电探测单元1。
[0041] Sba’和Sbb’经过平衡光电探测后产生反馈信号，该反馈信号在一号整形电路45中经过滤波、放大和整形后进入一号控制电路47。由一号控制电路47产生控制信号，对精密位移台49的
位置进行反馈控制，亦即对Sbb’的光程以亚
纳米级分辨力进行微调，进而保证Sba’和Sbb’之间的脉冲时域互锁。
[0042] e、当强度为10-21的引力波信号以合适的角度扫过时，两个测量臂一个伸长一个缩短，产生的位移差为亚纳米量级。此时，Sba’和Sbb’的脉冲将在时域上产生偏差，该偏差由一号平衡光电探测单元1探测，进而导致主控制电路47产生相应的近似直流的反馈信号，控制光延迟线扫描单元12对Sbb’的光程进行微调，使两个脉冲序列重新锁定，则精密位移台49产生的位移量即为被测位移量：
[0043]
[0044] 其中，反馈
电压U＝4μV，c为
真空中光速，反馈信号灵敏度k为3mV/fs，则探测到的位移ΔD为0.2nm。由于主星到从星A和从星B的距离基本相等，则由
原子钟频率不确定度引起的激光器脉冲周期误差可以在极大程度上得以抵消，使得该方法的位移探测灵敏度可以达到亚纳米
水平。
