基于中继式飞秒脉冲的深空引力波探测方法

摘要

基于中继式飞秒脉冲的深空引力波探测方法属于引力波探测领域，该方法通过扫描光延迟线实现对引力波信号的等臂长差动探测，探测灵敏度可以达到亚纳米量级；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；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。

主权项

一种基于中继式飞秒脉冲的深空引力波探测方法，其特征在于：该方法步骤如下：a、探测系统的测量端位于主星；一号飞秒锁相中继器(5)和三号飞秒锁相中继器(7)位于从星C；二号飞秒锁相中继器(6)位于从星A；四号飞秒锁相中继器(2)和六号飞秒锁相中继器(4)位于从星D；五号飞秒锁相中继器(3)位于从星B；将主星、从星A、从星B、从星C和从星D按照预设轨道发射，主星与从星A和从星B均匀分布在外太阳系轨道上，构成边长约为5.4亿公里的等边三角形；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；从星C和从星D则分别位于两个测量臂的中点，用于测量光光功率的中继放大；b、在位于主星的测量端中，飞秒激光器(1)发出的飞秒激光脉冲序列经过分光光路(8)后分为两束；第一束作为测量信号A，记为S_ma，发射向遥远的从星C；第二束作为测量信号A’，记为S_ma’，发射向遥远的从星D；c、位于从星C的一号飞秒锁相中继器(5)对探测到的S_ma进行有源功率放大，并将测量信号B，记为S_mb，发射向遥远的从星A，同时保证S_ma和S_mb之间的脉冲在时域上精确重叠并互锁；同时，位于从星D的四号飞秒锁相中继器(2)对探测到的S_ma’进行有源功率放大，并将测量信号B’，记为S_mb’，发射向遥远的从星B，同时保证S_ma’和S_mb’之间的脉冲在时域上精确重叠并互锁；d、位于从星A的二号飞秒锁相中继器(6)对探测到的S_mb进行有源功率放大，并将测量信号C，记为S_mc，发射回遥远的从星C，同时保证S_mb和S_mc之间的脉冲在时域上精确重叠并互锁；同时，位于从星B的五号飞秒锁相中继器(3)对探测到的S_mb’进行有源功率放大，并将测量信号C’，记为S_mc’，发射回遥远的从星D，同时保证S_mb’和S_mc’之间的脉冲在时域上精确重叠并互锁；e、位于从星C的三号飞秒锁相中继器(7)对探测到的S_mc进行有源功率放大，并将回光信号A，记为S_b，发射回遥远的主星，同时保证S_mc和S_b之间的脉冲在时域上精确重叠并互锁；同时，位于从星D的六号飞秒锁相中继器(4)对探测到的S_mc’进行有源功率放大，并将回光信号B，记为S_b’，发射回遥远的主星，同时保证S_mc’和S_b’之间的脉冲在时域上精确重叠并互锁；f、在位于主星的测量端中，探测到的S_b和S_b’经过分光光路(8)后一同由平衡光电探测单元(9)进行探测；对S_b和S_b’进行平衡光电探测后产生反馈信号，由控制单元(10)控制精密位移台(11)产生位移，通过光延迟线扫描的方式对S_b’的光程进行反馈控制，实现S_b和S_b’的高精度脉冲时域重叠及互锁；g、当引力波以合适的角度扫过时，两个测量臂将产生极为微小的反向位移，导致S_b和S_b’在时域上产生偏差；控制单元(10)控制精密位移台(11)改变S_b’的光程，使得S_b和S_b’的脉冲序列重新锁定，则精密位移台(11)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。