[發明專利]中繼式飛秒脈沖高精度位移探測裝置

有效

• 申請號: 201610084874.9
• 申請日: 2016-02-06
• 公開（公告）號: CN105738960B
• 公開（公告）日: 2018-07-06
• 發明（設計）人: 楊睿韜;郭佳豪;譚久彬
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業大學
• 主分類號: G01V7/00
• 分類號: G01V7/00;G01B11/02
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

中繼式飛秒脈沖高精度位移探測裝置屬于引力波探測領域，該裝置包括：測量端、一號飛秒鎖相中繼器、二號飛秒鎖相中繼器和三號飛秒鎖相中繼器；本發明采用了脈沖時域鎖定式中繼測量結構，通過三個飛秒鎖相中繼器的級聯對測量光的光功率進行放大，將系統回光功率由被測距離的四次方衰減函數變為了平方衰減函數，實現了外太陽系尺度的超遠距離動態位移探測；通過光延遲線掃描實現了亞納米級靈敏度的位移探測；測量端和三個飛秒鎖相中繼器之間相對獨立，避免了相距遙遠的衛星間的實時通信和高精度時鐘同步問題。

技術領域

本發明屬于引力波探測領域，主要涉及一種外太陽系尺度超遠距離高精度飛秒激光脈沖位移探測裝置。

背景技術

多年以來，引力波探測一直是世界各國的研究熱點，引力波的探測是對廣義相對論預言的直接驗證，也是對其核心思想的直接檢驗，并且對探討引力場的量子化和大統一模型、研究宇宙起源和演化具有重大意義。引力波的探測直接促成了引力波天文學的誕生，使得用引力波代替傳統的電磁波手段觀測宇宙成為可能，這可以為我們提供大量過去無法獲得的信息，為人們進一步加深對宇宙的理解提供了新的途徑。

遠距離精密位移探測是引力波探測的核心技術，目前的探測方法多基于激光干涉儀。美國的LIGO、德國的GEO600、意大利的VIRGO和日本的TAMA300等地面引力波探測器，測程可達幾十公里；美國的LISA、歐洲的NGO等空間引力波探測器，測程可達數百萬公里；中國和歐洲合作的ASTROD等深空引力波探測器測程將達到上億公里，而其后續任務的測程更遠，將在外太陽系尺度上展開精密位移探測。

然而，在上述深空引力波探測任務中，由于測程遙遠，以目前的光束整形技術，即使出射光的光束發散角僅為幾個微弧度，在到達遙遠的目標端時，光斑也將擴散得極其明顯；再加上光路中不可避免的光學損耗，測距系統的回光功率與被測距離呈四次方關系劇烈衰減，系統最終探測到的回光能量僅為出射能量中很小的一部分。例如，空間引力波探測項目LISA中的系統回光能量僅為出射光能量的1/10¹⁰，ASTROD中的系統回光能量僅為出射光能量的3/10¹⁴。回光功率過小將會導致測距系統的信噪比大幅度降低，進而測量精度無法滿足需求，甚至根本無法測量。

在遠距離激光測距領域，如2002年，Journal of Geodynamics第34卷第三期發表文章《Asynchronous laser transponders for precise interplanetary ranging andtime transfer》；又如2010年，光電工程第37卷第5期發表文章《異步應答激光測距技術》，均在被測端采用異步應答器對測距系統的脈沖功率進行放大，使得系統回光功率由被測距離的四次方衰減函數變為了平方衰減函數，大幅度擴展了系統測程。但是，該方法放大后的脈沖序列與原脈沖序列相比存在時域延遲及時鐘不同步的問題，不能在放大脈沖功率的同時保留原脈沖信號的時域信息，只能通過其它手段進行補償，導致測距精度難以突破毫米量級。且該方法需要在距離遙遠的兩個測量端之間實現高精度時鐘同步和實時通信。

在引力波探測領域，如2003年，Physical Review D第67卷第12期發表文章《Implementation of time-delay interferometry for LISA》；又如2012年，Journal ofGeodesy第86卷第12期發表文章《Intersatellite laser ranging instrument for theGRACE follow-on mission》，均提出了雙向激光干涉位移探測方法，通過被測端的從屬激光器配合測量端的主激光器進行測量，其測程可以達到五百萬公里。但是，雙向干涉儀仍然無法滿足ASTROD等深空引力波探測任務上億公里的測程需求，且該方法需要距離遙遠的兩個測量端之間實現實時通信與高精度時鐘同步，這在上億公里的距離尺度上是很難實現的。