技术领域
[0001] 本
发明属于量子测量技术领域，涉及
引力波测量原理的探究与验证，具体为一种利用压电陶瓷模拟引力波的小型量子干涉仪。
背景技术
[0002] 1、引力波及激光干涉引力波天文台(LIGO)
[0003] 引力波是指
时空弯曲中的涟漪，通过波的形式从
辐射源向外传播，这种波以引力辐射的形式传输
能量。在1916年，爱因斯坦基于
广义相对论预言了引力波的存在。当一个引力波通过一个观测者时，因为应变(strain)效应，观测者就会发现时空被扭曲。物体之间的距离就会发生有节奏的增加和减少，这个
频率对应于引力波的频率。这种效应的强度与产生引力波源之间距离成反比。绕转的双
中子星系统被预测，当它们合并的时候，是一个非常强的引力波源，通常因距离这些波源非常远，所以在地球上观测时的效应非常小，形变效应小于10-21，因此引力波的测量需要高
精度仪器。
[0004] 探测引力波最成功的案例为激光干涉引力波天文台(LIGO)。LIGO本质上为一个超大型利用F-P腔改进的迈克尔逊干涉仪，但此干涉仪价格昂贵，
操作系统复杂，在普通物理实验室中，作为本科实验开设更是非常难以实现。在普通物理实验中，迈克尔逊干涉作为综合实验，为物理专业学生所熟知。但是在此类光学实验中，通常是通过观察空间干涉条纹，数条纹个数，来认识光场的干涉现象、检验光干涉公式的。而在引力波测量中，所关注的不再是干涉基本现象、粗略观测空间干涉条纹，而需采用量子测量技术，通过测量干涉光场的噪声和
信号大小来得到最终的位移量。
[0005] 2、现有研究状况
[0006] 目前，
量子力学实验在大学物理实验课程中也比较少见，因为量子力学实验涉及微观现象，对实验设备和采集探测装置要求非常高，这将导致大多数量子实验所需求的实验设备非常昂贵，动辄上百万一台设备，更有甚者上千万一个实验平台，显然这些实验平台的操作和调试也将非常的复杂。而大学物理实验教学的需求及其特点却是物理图像清晰、实验现象直观、仪器易操作且易于维护，价格能被大多数大学物理实验室所能接受。综上这两者之间的矛盾也是到目前为止大学物理实验课程中没有量子力学实验的根本原因。到目前为止，极少有研究者在
基础物理实验室环境下模拟引力波的测量。因此本发明提出利用压电陶瓷模拟引力波对M-Z干涉仪一路光程的影响，搭建一个小型的、可移动式的量子干涉仪。
发明内容
[0007] 本发明目的是：在
马赫-曾德尔干涉仪(M-Z干涉仪)的基础上，提出一种在基础物理实验室环境下模拟引力波测量的方案。该小型量子干涉仪设计灵活，易于实施、易于集成化。
[0008] 实现本发明目的的具体技术方案是：
[0009] 一种利用压电陶瓷模拟引力波的小型量子干涉仪，该干涉仪包括氦氖
激光器、偏振分束器、偏振片、第一分束器、第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜、第二分束镜、汇聚透镜、光电探测器、衰减片、带有反射镜的压电陶瓷、信号发生器、
电压放大器及
频谱仪或者示波器；所述氦氖激光器、偏振分束器、偏振片、第一分束器、第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜、第二分束镜、汇聚透镜、光电探测器依次光路连接；所述第一分束器、衰减片、带有反光镜的压电陶瓷依次光路连接；所述信号发生器、电压放大器、带有反光镜的压电陶瓷依次
电路连接；带有反光镜的压电陶瓷与第二分束镜光路连接；光电探测器与频谱仪或者示波器电路连接；其中，所述氦氖激光器发出激光，进入偏振分束器和偏振片调制光强，进入分束器分束，得到两路光束，一束光经第一反射镜、第二反射镜及第三反射镜进入分束镜；另一束光进入衰减片衰减、进入压电陶瓷器对该束光路的光程调节，并反射进入分束器；进入分束器的两束光再次合束，经过汇聚透镜汇聚，然后被光电探测器转变成
电信号，并进入到频谱仪或者示波器进行信号分析；所述信号发生器发出信号，经电压放大器后对压电陶瓷进行调控；用以模拟引力波对一路光程的影响。
[0010] 所述信号发生器产生的电信号为任意幅值、任意频率，经电压放大器放大时加以偏置，保证输入压电陶瓷的信号为正；压电陶瓷带动反射镜产生一
定位移，从而对其中一臂产生
相位变化。
[0011] 本发明输入和输出能量守恒，干涉分束、合束过程是无源器件，是一种线性激光M-Z干涉仪。利用示波器观察干涉
对比度或利用
频谱分析仪对干涉仪
输出信号及噪声进行探测与分析。
[0012] 本发明的小型量子干涉仪可以用来观测从单独
光源发射的光束分裂成两道
准直光束之后，经过不同路径与介质所产生的相对
相移变化。与迈克尔逊干涉仪明显不同，此量子干涉仪的两束被分束的光束只会分别行经一次干涉仪的两条严格分隔的路径，比之迈克尔逊干涉仪具有干涉光路不重叠、灵活多变等优点。
[0013] 进一步的，将信号源输出的周期性信号输入压电陶瓷，控制量子干涉仪一路光路中的反射镜，从而改变干涉仪两路光束间的光程差。类似于LIGO测量引力波的原理：一束激光通过分光镜来变成两束激光，通过两个4公里的
谐振腔增大两臂的距离，然后两束光经过分光镜合为一束，最后进行测量；当两臂的长度相等时，两束光会产生相消干涉，但如果此时有一束引力波通过探测器，它就会扭曲时间和空间，导致两条管道的相对长度发生极其微小的变化，从而改变两条光束的干涉方式，最终导致光电探测器上的信号发生变化。由于引力波源距离地球观测点的距离相当远，引力波信号小，因此需要辅以F-P腔、振动隔离等技术使得系统灵敏度进一步提升；而压电陶瓷引起的光程差变化较大，足以使得在基础物理实验室环境下，借助小型量子干涉仪模拟引力波的测量。
[0014] 再进一步的，利用电光
调制器，给一定的可控信号，如已知大小为一微米的信号，观察频谱分析仪，可知信号和噪声比；从而得到系统的位移测量极限，即可能测量到信号的最小
信噪比。当信号大小与噪声大小相当，才可能测量得到信号；如果信号小于噪声，则系统无法测量到信号。
[0015] 本发明的有益效果是：基于引力波测量原理，利用压电陶瓷改变量子干涉仪两路光束光程差的方法，搭建小型、便携式量子干涉仪。演示量子力学基本原理在精密测量，如引力波测量中的应用，可进一步分析
真空噪声对测量精度的限制。实现加深学生对量子力学基本原理的理解，体会量子力学与经典物理的不同之处。通过引力波测量的应用实验，激励学生对量子力学领域研究的兴趣。到目前，涉及干涉仪的实验教学仪器，通常是通过观察空间干涉条纹，数条纹个数来认识光场的干涉现象、检验光干涉公式的，极少有涉及量子测量技术的。
[0016] 本发明的利用压电陶瓷模拟引力波的小型量子干涉仪，使用的激光器、光学元件与测量仪器均为实验室常用设备，技术成熟，已有商品化生产。本发明简单易行，具有体积小、造价低的特点，是一种新型的小型量子干涉仪。
附图说明
[0017] 图1为本发明的基本原理示意图；
[0018] 图2为本发明的结构示意图；
[0019] 图3为本发明
实施例，信号源幅值为2V，频率为5Hz的三
角波信号，经放大器放大后作为驱动信号输入到压电陶瓷，且入射光强为250μW条件下，获得的频谱分析仪
波形图；
[0020] 图4为本发明实施例，不同入射光光强条件下，频谱图拟合系数|α|２与入射光光强的线性关系曲线。
具体实施方式
[0021] 如图1所示，所述基本原理示意图包括：两个50∶50的BS分束器11和13，反射镜121和带有反射镜的压电陶瓷122，光电探测器141和142以及频谱仪15。
[0022] 如图1所示，一束激光(称为光束一 )，经过一个50∶50分束器11后，一分为二，得到光束二 和光束三 然后各自在不同路径中传播，并经过反射镜121和带有反射镜的压电陶瓷122进行反射，随后在第二个分束器13上空间合束，最后从两个输出口输出，即干涉输出 和干涉输出 被两个光电
二极管141和142探测并相减，即采用量子光学中的平衡零拍探测方法，相减信号放大后输入频谱分析仪15进行分析。
[0023] 一束激光 经过第一个BS分束器11一分为二，光束二 和光束三 的光强分别为：
[0024]
[0025] 其中， 为光束A的
电场强度的量子算符， 为量子算符 的复共轭算符。 为光束B的电场强度的量子算符， 为量子算符 的复共轭算符。而光束二 和光束三 的表达式分别为：
[0026]
[0027]
[0028] 上式中 为入射到分束器的真空场能量算符，为激光器发出的激光电场强度的量子算符。相因子eiθ为压电陶瓷122的振动位移带来的。经过第二个BS分束器13后，干涉输出 和干涉输出 分别为：
[0029]
[0030]
[0031] 这里 和 分别为光束 和光束 的电场强度的量子算符。因此，干涉输出 的强度为：
[0032]
[0033] 这里 分别为量子算符 和 的复共轭算符；i是复数，(i的平方＝负1)。
[0034] 信号C直接经过光电探测器141探测后，进频谱仪15分析后，得到每个相位下的噪声大小，频谱分析仪15最终输出的方差为：
[0035]
[0036]
[0037] 实施例
[0038] 如图2所示，本实施例采用的激光光源为连续的632.8nm激光器。
[0039] 如图2所示，激光光源21准直后，被50∶50分束器24分为两路，一路经过一组反射镜251、261、271，进入另一50∶50分束器28透射；另一路经带有反射镜的压电陶瓷262进行反射，在分束器28中再次反射。两束光束的光程相等，在出射分束器28上合束；后聚焦到光电探测器210的探测面上，聚焦透镜29的焦距为100mm。其中一组反射镜包括三个与光路呈45°角放置的反射镜251、261和271，利用三个反射镜，便于调整使两束光束完美合束。
[0040] 如图2所示，在干涉仪系统前利用偏振分束器22、偏振片23组成光衰减系统，可用于改变入射激光的光强。利用分束后一路光路中的可调衰减片252，可使两分束光路光强近似相同，进一步提高干涉对比度。
[0041] 如图3所示，压电陶瓷262的周期性伸缩来模拟相位θ，若
输入信号为三角波，则在半个周期内，有压电陶瓷262提供的相位θ满足：
[0042] θ＝kt (7)
[0043] k值为比例系数，与三角波的幅值成正比，与三角波的周期成反比，将上式带入方差 可得：
[0044]
[0045] 该式即为频谱仪上探测到的信号在半个周期里与时间的关系。本实施例中，信号发生器211产生幅值为2V，频率为5Hz的三角波信号，经放大器272放大后作为驱动信号输入到压电陶瓷262。压电陶瓷262在分束支路中提供微小光程差，用以模拟引力波等微小变化。三角波信号使干涉仪两路的光程差线性往复变化，尽管无法直接观测到合束后产生干涉图样中条纹的移动，通过光电探测器210、示波器212以及频谱分析仪213，可以周期内获得正弦形式的信号曲线。
[0046] 如图4所示，本发明实施例中改变总入射光强，在100～250μW入射光强区间内共选择7个数据点，得到对应的波形图，正弦函数拟合系数|α|2与入射光强满足良好的线性关系。
[0047] 本发明的优化方案还包括以下几个方面：
[0048] 本发明适用于各类激光光源，对
波长、重复频率、脉宽均没有特殊要求。由于入射干涉系统的光强大小可显著提高微小信号的放大信噪比，对于功率较大的激光光源，更容易在频谱仪上观测到良好的正弦信号。若激光光源改为其他波长的光源，只需将反射镜、衰减片、光电探测器等均改为相应波长范围的元件，输出端得到实验结果的规律不变。
[0049] 本发明的用于模拟引力波信号的压电陶瓷，也可以工作在其他频率、振幅、波形(如
正弦波)的驱动信号下。即无论引力波信号频率、大小，该系统可以测得任意在测量极限范围内的信号。
[0050] 利用电光调制器，给一定的可控信号，若已知信号大小，如一微米，观察频谱分析仪，可知信号和噪声比；从而得到系统的位移测量极限。位移测量极限是系统测量精度的重要表征参数之一，当信号大小与噪声大小相当的时候，这个信号才可能被测量到；如果信号小于噪声，则系统无法测量到这个信号。
[0051] 由以上分析可以看出，本发明基于引力波测量原理的基础上搭建了一小型量子干涉仪，本实验仪的搭建完全可以在基础物理实验室实现，将量子力学实验纳入到本科实验课程体系中，可以进一步进行更多的量子精密测量探究，本发明具有很高的深入研究和应用价值。
