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外
太阳系尺度深空引力波探测装置。
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外太阳系尺度深空引力波探测装置。
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中继式飞秒脉冲的深空引力波探测装置。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中继测量结构，实现了外太阳系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] 一种基于中继式飞秒脉冲的深空引力波探测装置，包含测量端、一号飞秒锁相
中继器、二号飞秒锁相中继器、三号飞秒锁相中继器、四号飞秒锁相中继器、五号飞秒锁相中继器和六号飞秒锁相中继器，构成了脉冲时域锁定式中继测量结构；所述测量端的输出光分别指向一号飞秒锁相中继器和四号飞秒锁相中继器的输入端，一号飞秒锁相中继器的输出光指向二号飞秒锁相中继器的输入端，二号飞秒锁相中继器的输出光指向三号飞秒锁相中继器的输入端，四号飞秒锁相中继器的输出光指向五号飞秒锁相中继器的输入端，五号飞秒锁相中继器的输出光指向六号飞秒锁相中继器的输入端，三号飞秒锁相中继器和六号飞秒锁相中继器的输出光均指向测量端。
[0013] 所述测量端的结构是：本地飞秒激光器发出的激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
准直器后射向一号飞秒锁相中继器；另一束反射光经过二号四分之一波片和三号扩束
准直器后射向四号飞秒锁相中继器；从三号飞秒锁相中继器发射过来的激光经过二号扩束准直器、五号四分之一波片和二号偏振分光镜后射向本地平衡光电探测单元；从六号飞秒锁相中继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、一号反射镜、角锥反射镜、二号反射镜和二号偏振分光镜后也射向本地平衡光电探测单元；角锥反射镜固定在精密位移台上，精密位移台位于精密直线
导轨上；本地平衡光电探测单元的输出端连接到本地控制单元的输入端，本地控制单元的输出端连接到精密位移台。
[0014] 所述一号飞秒锁相中继器的结构是：一号飞秒激光器发出的激光经过七号四分之一波片和三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二号飞秒锁相中继器，另一束反射光直接射向一号平衡光电探测单元；从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、三号反射镜和三号偏振分光镜后也射向一号平衡光电探测单元；一号平衡光电探测单元的输出端连接到一号控制单元的输入端，一号控制单元的输出端连接到一号飞秒激光器。
[0015] 所述二号飞秒锁相中继器的结构是：二号飞秒激光器发出的激光经过十号四分之一波片和五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三号飞秒锁相中继器，另一束反射光经过四号偏振分光镜后射向二号平衡光电探测单元；从一号飞秒锁相中继器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四号偏振分光镜后也射向二号平衡光电探测单元；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。
[0016] 所述三号飞秒锁相中继器的结构是：三号飞秒激光器发出的激光经过十三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十四号四分之一波片和十号扩束准直器后射向测量端，另一束反射光直接射向三号平衡光电探测单元；从二号飞秒锁相中继器发射过来的激光经过九号扩束准直器、十二号四分之一波片、四号反射镜和六号偏振分光镜后也射向三号平衡光电探测单元；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。
[0017] 所述四号飞秒锁相中继器的结构是：四号飞秒激光器发出的激光经过十六号四分之一波片和七号偏振分光镜后分为两束；其中一束透射光经过十七号四分之一波片和十二号扩束准直器后射向五号飞秒锁相中继器，另一束反射光直接射向四号平衡光电探测单元；从测量端发射过来的激光经过十一号扩束准直器、十五号四分之一波片、五号反射镜和七号偏振分光镜后也射向四号平衡光电探测单元；四号平衡光电探测单元的输出端连接到四号控制单元的输入端，四号控制单元的输出端连接到四号飞秒激光器。
[0018] 所述五号飞秒锁相中继器的结构是：五号飞秒激光器发出的激光经过十九号四分之一波片和九号偏振分光镜后分为两束；其中一束透射光经过二十号四分之一波片和十四号扩束准直器后射向六号飞秒锁相中继器，另一束反射光经过八号偏振分光镜后射向五号平衡光电探测单元；从四号飞秒锁相中继器发射过来的激光经过十三号扩束准直器、十八号四分之一波片和八号偏振分光镜后也射向五号平衡光电探测单元；五号平衡光电探测单元的输出端连接到五号控制单元的输入端，五号控制单元的输出端连接到五号飞秒激光器。
[0019] 所述六号飞秒锁相中继器的结构是：六号飞秒激光器发出的激光经过二十二号四分之一波片和十号偏振分光镜后分为两束；其中一束透射光经过二十三号四分之一波片和十六号扩束准直器后射向测量端，另一束反射光直接射向六号平衡光电探测单元；从五号飞秒锁相中继器发射过来的激光经过十五号扩束准直器、二十一号四分之一波片、六号反射镜和十号偏振分光镜后也射向六号平衡光电探测单元；六号平衡光电探测单元的输出端连接到六号控制单元的输入端，六号控制单元的输出端连接到六号飞秒激光器。
[0020] 本发明具有以下特点及有益效果：
[0021] (1)两个测量臂均采用了脉冲时域锁定式中继测量结构，各通过三个飞秒锁相中继器的级联对测量光的光功率进行放大，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，实现了外太阳系尺度的深空引力波探测，探测灵敏度可以达到亚纳米量级。
[0022] (2)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。
[0023] (3)测量端与六个飞秒锁相中继器之间相对独立，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
[0024] 图1为本发明的总体配置结构示意图。
[0025] 图2为本发明的装置结构示意图。
[0026] 图中件号说明：1测量端、2四号飞秒锁相中继器、3五号飞秒锁相中继器、4六号飞秒锁相中继器、5一号飞秒锁相中继器、6二号飞秒锁相中继器、7三号飞秒锁相中继器、8六号飞秒激光器、9六号控制单元、10二十二号四分之一波片、11六号平衡光电探测单元、12十号偏振分光镜、13二十三号四分之一波片、14十六号扩束准直器、15四号四分之一波片、16一号扩束准直器、17五号扩束准直器、18六号四分之一波片、19一号飞秒激光器、20一号控制单元、21七号四分之一波片、22三号偏振分光镜、23一号平衡光电探测单元、24八号四分之一波片、25六号扩束准直器、26七号扩束准直器、27九号四分之一波片、28四号偏振分光镜、29二号平衡光电探测单元、30二号控制单元、31二号飞秒激光器、32十号四分之一波片、33五号偏振分光镜、34十一号四分之一波片、35八号扩束准直器、36九号扩束准直器、37十二号四分之一波片、38三号飞秒激光器、39三号控制单元、40十三号四分之一波片、41六号偏振分光镜、42三号平衡光电探测单元、43十四号四分之一波片、44十号扩束准直器、45二号偏振分光镜、46本地平衡光电探测单元、47本地控制单元、48精密
直线导轨、49精密位移台、50角锥反射镜、51本地飞秒激光器、52一号四分之一波片、53二号四分之一波片、54三号扩束准直器、55十五号四分之一波片、56四号飞秒激光器、57四号控制单元、58十六号四分之一波片、59四号平衡光电探测单元、60七号偏振分光镜、61十七号四分之一波片、62十二号扩束准直器、63十三号扩束准直器、64十八号四分之一波片、65八号偏振分光镜、66五号平衡光电探测单元、67五号控制单元、68五号飞秒激光器、69十九号四分之一波片、70九号偏振分光镜、71二十号四分之一波片、72十四号扩束准直器、73十五号扩束准直器、74二十一号四分之一波片、75五号反射镜、76六号反射镜、77十一号扩束准直器、78四号扩束准直器、79三号四分之一波片、80一号偏振分光镜、81一号反射镜、82二号反射镜、83五号四分之一波片、84二号扩束准直器、85四号反射镜、86三号反射镜。
具体实施方式
[0027] 下面结合附图对本发明
实施例进行详细描述。
[0028] 本实施例的基于中继式飞秒脉冲的深空引力波探测装置，图1为其原理示意图，图2为其装置结构示意图，该装置包含：测量端1、一号飞秒锁相中继器5、二号飞秒锁相中继器
6、三号飞秒锁相中继器7、四号飞秒锁相中继器2、五号飞秒锁相中继器3和六号飞秒锁相中继器4，构成了脉冲时域锁定式中继测量结构；所述测量端1的输出光分别指向一号飞秒锁相中继器5和四号飞秒锁相中继器2的输入端，一号飞秒锁相中继器5的输出光指向二号飞秒锁相中继器6的输入端，二号飞秒锁相中继器6的输出光指向三号飞秒锁相中继器7的输入端，四号飞秒锁相中继器2的输出光指向五号飞秒锁相中继器3的输入端，五号飞秒锁相中继器3的输出光指向六号飞秒锁相中继器4的输入端，三号飞秒锁相中继器7和六号飞秒锁相中继器4的输出光均指向测量端1；
[0029] 在所述测量端1中：本地飞秒激光器51发出的线偏振光经过一号四分之一波片52-8后变为圆偏振光，其
波长λ为1550nm；脉冲重复频率f为100MHz；脉冲周期T为10 s；脉冲宽度w为10fs。该光束经过一号偏振分光镜80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15后变为圆偏振光，又经过一号扩束准直器16的扩束准直后射向一号飞秒锁相中继器5；被反射的S光作为测量信号A’，记为Sma’，经过二号四分之一波片53后变为圆偏振光，又经过三号扩束准直器54的扩束准直后射向四号飞秒锁相中继器2；从三号飞秒锁相中继器7发射过来的圆偏振光经过二号扩束准直器84和五号四分之一波片83后变为S光，又经过二号偏振分光镜45后射向本地平衡光电探测单元46；从六号飞秒锁相中继器
4发射过来的圆偏振光经过四号扩束准直器78和三号四分之一波片79后变为P光，又经过一号反射镜81、角锥反射镜50、二号反射镜82和二号偏振分光镜45后也射向本地平衡光电探测单元46；角锥反射镜50固定在精密位移台49上，精密位移台49位于精密直线导轨48上；本地平衡光电探测单元46产生的反馈信号输出至本地控制单元47，本地控制单元47产生的
控制信号输出至精密位移台49，通过控制其位移，以光延迟线扫描的方式对回
光信号的光程进行反馈控制，使得Sma和Sma’的脉冲在时域上精确重叠并互锁。
[0030] 在所述一号飞秒锁相中继器5中：一号飞秒激光器19发出的线偏振光经过七号四分之一波片21后变为圆偏振光，其波长λ1为1550nm；脉冲重复频率f1约100MHz；脉冲周期T1约10-8s；脉冲宽度w1为10fs。该光束经过三号偏振分光镜22后分为两束；被透射的P光作为测量信号B，记为Smb，经过八号四分之一波片24后变为圆偏振光，又经过六号扩束准直器25的扩束准直后射向二号飞秒锁相中继器6；被反射的S光作为参考信号A，记为Sra，直接射向一号平衡光电探测单元23；从测量端1发射过来的圆偏振光Sma经过五号扩束准直器17和六号四分之一波片18后变为P光，又经过三号反射镜86和三号偏振分光镜22后也射向一号平衡光电探测单元23；一号平衡光电探测单元23产生的反馈信号输出至一号控制单元20，一号控制单元20产生的控制信号输出至一号飞秒激光器19，对其脉冲重复频率f1进行反馈控制，使得Sma和Sra，亦即Sma和Smb的脉冲在时域上精确重叠并互锁。
[0031] 在所述二号飞秒锁相中继器6中：二号飞秒激光器31发出的线偏振光经过十号四分之一波片32后变为圆偏振光，其波长λ2为1550nm；脉冲重复频率f2约100MHz；脉冲周期T2-8约10 s；脉冲宽度w2为10fs。该光束经过五号偏振分光镜33后分为两束；被透射的P光作为测量信号C，记为Smc，经过十一号四分之一波片34后变为圆偏振光，又经过八号扩束准直器
35的扩束准直后射向三号飞秒锁相中继器7；被反射的S光作为参考信号B，记为Srb，经过四号偏振分光镜28后射向二号平衡光电探测单元29；从一号飞秒锁相中继器5发射过来的圆偏振光Smb经过七号扩束准直器26和九号四分之一波片27后变为P光，又经过四号偏振分光镜28后也射向二号平衡光电探测单元29；二号平衡光电探测单元29产生的反馈信号输出至二号控制单元30，二号控制单元30产生的控制信号输出至二号飞秒激光器31，对其脉冲重复频率f2进行反馈控制，使得Smb和Srb，亦即Smb和Smc的脉冲在时域上精确重叠并互锁。
[0032] 在所述三号飞秒锁相中继器7中：三号飞秒激光器38发出的线偏振光经过十三号四分之一波片40后变为圆偏振光，其波长λ3为1550nm；脉冲重复频率f3约100MHz；脉冲周期-8T3约10 s；脉冲宽度w3为10fs。该光束经过六号偏振分光镜41后分为两束；被透射的P光作为回光信号A，记为Sb，经过十四号四分之一波片43后变为圆偏振光，又经过十号扩束准直器44的扩束准直后射向测量端1；被反射的S光作为参考信号C，记为Src，直接射向三号平衡光电探测单元42；从二号飞秒锁相中继器6发射过来的圆偏振光Smc经过九号扩束准直器36和十二号四分之一波片37后变为P光，又经过四号反射镜85和六号偏振分光镜41后也射向三号平衡光电探测单元42；三号平衡光电探测单元42产生的反馈信号输出至三号控制单元
39，三号控制单元39产生的控制信号输出至三号飞秒激光器38，对其脉冲重复频率f3进行反馈控制，使得Smc和Src，亦即Smc和Sb的脉冲在时域上精确重叠并互锁。
[0033] 在所述四号飞秒锁相中继器2中：四号飞秒激光器56发出的线偏振光经过十六号四分之一波片58后变为圆偏振光，其波长λ4为1550nm；脉冲重复频率f4约100MHz；脉冲周期T4约10-8s；脉冲宽度w4为10fs。该光束经过七号偏振分光镜60后分为两束；被透射的P光作为测量信号B’，记为Smb’，经过十七号四分之一波片61后变为圆偏振光，又经过十二号扩束准直器62的扩束准直后射向五号飞秒锁相中继器3；被反射的S光作为参考信号A’，记为Sra’，直接射向四号平衡光电探测单元59；从测量端1发射过来的圆偏振光Sma’经过十一号扩束准直器77和十五号四分之一波片55后变为P光，又经过五号反射镜75和七号偏振分光镜60后也射向四号平衡光电探测单元59；四号平衡光电探测单元59产生的反馈信号输出至四号控制单元57，四号控制单元57产生的控制信号输出至四号飞秒激光器56，对其脉冲重复频率f4进行反馈控制，使得Sma’和Sra’，亦即Sma’和Smb’的脉冲在时域上精确重叠并互锁。
[0034] 在所述五号飞秒锁相中继器3中：五号飞秒激光器68发出的线偏振光经过十九号四分之一波片69后变为圆偏振光，其波长λ5为1550nm；脉冲重复频率f5约100MHz；脉冲周期T5约10-8s；脉冲宽度w5为10fs。该光束经过九号偏振分光镜70后分为两束；被透射的P光作为测量信号C’，记为Smc’，经过二十号四分之一波片71后变为圆偏振光，又经过十四号扩束准直器72的扩束准直后射向六号飞秒锁相中继器4；被反射的S光作为参考信号B’，记为Srb’，经过八号偏振分光镜65后射向五号平衡光电探测单元66；从四号飞秒锁相中继器2发射过来的圆偏振光Smb’经过十三号扩束准直器63和十八号四分之一波片64后变为P光，又经过八号偏振分光镜65后也射向五号平衡光电探测单元66；五号平衡光电探测单元66产生的反馈信号输出至五号控制单元67，五号控制单元67产生的控制信号输出至五号飞秒激光器68，对其脉冲重复频率f5进行反馈控制，使得Smb’和Srb’，亦即Smb’和Smc’的脉冲在时域上精确重叠并互锁。
[0035] 在所述六号飞秒锁相中继器4中：六号飞秒激光器8发出的线偏振光经过二十二号四分之一波片10后变为圆偏振光，其波长λ3为1550nm；脉冲重复频率f3约100MHz；脉冲周期T3约10-8s；脉冲宽度w3为10fs。该光束经过六号偏振分光镜41后分为两束；被透射的P光作为回光信号B，记为Sb’，经过二十三号四分之一波片13后变为圆偏振光，又经过十六号扩束准直器14的扩束准直后射向测量端1；被反射的S光作为参考信号C’，记为Src’，直接射向六号平衡光电探测单元11；从五号飞秒锁相中继器3发射过来的圆偏振光Smc’经过十五号扩束准直器73和二十一号四分之一波片74后变为P光，又经过六号反射镜76和十号偏振分光镜12后也射向六号平衡光电探测单元11；六号平衡光电探测单元11产生的反馈信号输出至六号控制单元9，六号控制单元9产生的控制信号输出至六号飞秒激光器8，对其脉冲重复频率f6进行反馈控制，使得Smc’和Src’，亦即Smc’和Sb’的脉冲在时域上精确重叠并互锁。
[0036] 当强度为10-22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，Sb和Sb’的脉冲将在时域上产生偏差，该偏差由本地平衡光电探测单元46探测，进而导致本地控制
电路47产生相应的近似直流的反馈信号，控制光延迟线进行扫描，对Sb’的光程进行微调，使两个脉冲序列Sb和Sb’重新锁定，则精密位移台49产生的位移量即为被测位移量：
[0037]
[0038] 其中，反馈
电压U＝16μV，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0.8nm。由于测量端1到二号飞秒锁相中继器6和五号飞秒锁相中继器3的距离基本相等，则由
原子钟频率不确定度引起的飞秒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。
