激光干涉太空引力波天線(xiàn)

引力波探測(cè)器航天器測(cè)距

引力波會(huì)影響行星際航天器通信信號(hào)的返回時(shí)間，美國(guó)國(guó)家航空航天局和歐洲空間局都在進(jìn)行偵測(cè)這一效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)。例如，對(duì)于正在木星和土星附近的航天器（包括卡西尼－惠更斯號(hào)等），其信號(hào)返回時(shí)間在2至4×10³秒的數(shù)量級(jí)。引力波會(huì)導(dǎo)致信號(hào)時(shí)間的變化，如果事件的時(shí)間短于這一數(shù)量級(jí)，那么，按照三項(xiàng)公式這種變化樣式會(huì)出現(xiàn)三次：一次是引力波經(jīng)過(guò)地面的發(fā)射器，一次是經(jīng)過(guò)航天器，一次是經(jīng)過(guò)地面的接收器。搜尋這樣的引力波信號(hào)需要在數(shù)據(jù)分析中采用模式匹配算法。利用兩個(gè)不同的發(fā)射頻率和很穩(wěn)定的原子鐘，靈敏度的量級(jí)估計(jì)可以達(dá)到10^-13，并有可能進(jìn)一步提高到10^-15。

引力波探測(cè)器脈沖星計(jì)時(shí)

脈沖星是宇宙的計(jì)時(shí)器，其中，毫秒脈沖星的計(jì)時(shí)功能最為規(guī)律。毫秒脈沖星所發(fā)射的電磁輻射抵達(dá)地球的時(shí)間，可以被預(yù)測(cè)至納秒精確度。由于脈沖星所發(fā)射的信號(hào)具有極高的規(guī)律性，所以可以從觀察到在計(jì)時(shí)方面的不規(guī)律性，估算出隨機(jī)背景引力波的上限。

脈沖星計(jì)時(shí)陣列用一組脈沖星的脈沖訊號(hào)抵達(dá)時(shí)間來(lái)尋找任何有關(guān)聯(lián)的信息。在地球與脈沖星之間的時(shí)空會(huì)被通過(guò)的引力波彎曲，從而導(dǎo)致脈沖星所發(fā)射的脈沖訊號(hào)傳播至地球的時(shí)間有所改變。由毫秒脈沖星組成的脈沖星計(jì)時(shí)陣列可以用來(lái)尋找有關(guān)聯(lián)的改變，從而探測(cè)出引力波。

當(dāng)今，主要有三個(gè)實(shí)驗(yàn)正在進(jìn)行：北美納赫引力波天文臺(tái)、歐洲脈沖星計(jì)時(shí)陣列與帕克斯脈沖星計(jì)時(shí)陣列。為了共同分享實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，這三個(gè)實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)又組成國(guó)際脈沖星計(jì)時(shí)陣列。未來(lái)，會(huì)有更多更具功能的實(shí)驗(yàn)陸續(xù)參與探測(cè)引力波，例如，平方千米陣與位于荷蘭的低頻陣列。

引力波探測(cè)器激光空間干涉

在低頻波段（低于1赫茲），任何引力波源的低頻引力波到達(dá)地球時(shí)，振幅都會(huì)比地球上的低很多；處于太空中的探測(cè)器則不會(huì)受到地球環(huán)境的影響。在歐洲空間局的LISA計(jì)劃中，探測(cè)頻率波段為0.0001赫茲至0.1赫茲的低頻引力波，由三個(gè)同樣的航天器組成邊長(zhǎng)為250萬(wàn)公里的等邊三角形，整體沿地球軌道繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)。LISA的干涉臂長(zhǎng)超過(guò)任何頻率高于60毫赫茲的引力波的半波長(zhǎng)，在這個(gè)范圍內(nèi)三項(xiàng)公式成立。每一個(gè)航天器內(nèi)部都載有一個(gè)30cm望遠(yuǎn)鏡與2瓦特激光系統(tǒng)。

與地面干涉儀不同的是，由于航天器相距很遠(yuǎn)，激光在傳播途中的大幅衰減造成LISA不能使用單純的平面鏡來(lái)反射激光，采用光學(xué)鎖相的辦法，將要發(fā)射信號(hào)的相位鎖至接收信號(hào)的相位上再將其發(fā)射出去。這一過(guò)程原理上是一個(gè)光學(xué)轉(zhuǎn)發(fā)器，其效果和地面干涉儀的平面鏡反射是相同的，本質(zhì)上相當(dāng)于激光從一個(gè)航天器發(fā)射，到達(dá)另一個(gè)航天器后再返回，這個(gè)延遲信號(hào)與本地的原始信號(hào)發(fā)生干涉，LISA主要就是測(cè)量這種干涉信號(hào)的相位。

對(duì)LISA而言，來(lái)自外界的影響主要是太陽(yáng)的輻射壓和太陽(yáng)風(fēng)的動(dòng)壓強(qiáng)。為了減小這些影響，滿(mǎn)足廣義相對(duì)論實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的嚴(yán)格要求，LISA采用了先進(jìn)無(wú)阻尼技術(shù)，使用航天器本身作為內(nèi)部測(cè)試質(zhì)量的防護(hù)罩，保護(hù)測(cè)試質(zhì)量不被外界影響，促使測(cè)試質(zhì)量能夠自己沿著測(cè)地線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，呈自由落體狀態(tài)，與航天器沒(méi)有任何牽纏，航天器對(duì)測(cè)試質(zhì)量的位置作出精確的監(jiān)測(cè)，并且自動(dòng)開(kāi)啟噴氣來(lái)改變位置，使得自己與測(cè)試值量之間維持安全距離，避免任何接觸。因此，航天器需要裝制能夠精確給出微小推力的推力器。為了成功達(dá)成任務(wù)，LISA必須具備三個(gè)關(guān)鍵技術(shù)：先進(jìn)的推力器、超靈敏的加速度計(jì)、能夠連續(xù)幾年穩(wěn)定發(fā)射2瓦特功率的紅外激光。于2015年發(fā)射升空的激光干涉空間天線(xiàn)開(kāi)路者號(hào)（LISA Pathfinder）已成功測(cè)試了這些技術(shù)，為L(zhǎng)ISA鋪設(shè)了康莊大道。

歐洲空間局計(jì)劃于2030年發(fā)射LISA，任務(wù)為期4年，可延長(zhǎng)至10年。LISA的主要的任務(wù)為，研究銀河系內(nèi)的雙星系統(tǒng)的形成與演化、探查致密星體繞著大質(zhì)量黑洞的公轉(zhuǎn)動(dòng)力學(xué)、追溯超大質(zhì)量黑洞的并合起源與演化、解析恒星黑洞的天體物理學(xué)、探索引力與黑洞的基本秉性、估算宇宙膨脹的速率、了解隨機(jī)引力波背景的起源與意涵。

除了LISA以外，另外還有幾個(gè)在空間類(lèi)似運(yùn)作的激光干涉引力波探測(cè)器計(jì)劃。分赫引力波干涉天文臺(tái)計(jì)劃的操作頻帶為0.1-10Hz，在LISA與地面探測(cè)器的操作頻帶之間，主要目的是直接觀測(cè)宇宙的初始，即在大爆炸后10-10秒之瞬間，從而試圖揭露宇宙的奧妙起源。更具野心的大爆炸天文臺(tái)是美國(guó)太空總署的計(jì)劃，操作頻率與分赫引力波干涉天文臺(tái) 相同，意圖探測(cè)宇宙暴脹所導(dǎo)致的引力波背景。

激光干涉儀有單頻的和雙頻的兩種。

激光干涉儀單頻激光干涉儀

從激光器發(fā)出的光束，經(jīng)擴(kuò)束準(zhǔn)直后由分光鏡分為兩路，并分別從固定反射鏡和可動(dòng)反射鏡反射回來(lái)會(huì)合在分光鏡上而產(chǎn)生干涉條紋。當(dāng)可動(dòng)反射鏡移動(dòng)時(shí)，干涉條紋的光強(qiáng)變化由接受器中的光電轉(zhuǎn)換元件和電子線(xiàn)路等轉(zhuǎn)換為電脈沖信號(hào)，經(jīng)整形、放大后輸入可逆計(jì)數(shù)器計(jì)算出總脈沖數(shù)，再由電子計(jì)算機(jī)按計(jì)算式[356-11]式中λ為 激光波長(zhǎng)(N 為電脈沖總數(shù))，算出可動(dòng)反射鏡的位移量L。使用單頻激光干涉儀時(shí)，要求周?chē)髿馓幱诜€(wěn)定狀態(tài)，各種空氣湍流都會(huì)引起直流電平變化而影響測(cè)量結(jié)果。

激光干涉儀雙頻激光干涉儀

在氦氖激光器上，加上一個(gè)約0.03特斯拉的軸向磁場(chǎng)。由于塞曼分裂效應(yīng)和頻率牽引效應(yīng), 激光器產(chǎn)生1和2兩個(gè)不同頻率的左旋和右旋圓偏振光。經(jīng)1/4波片后成為兩個(gè)互相垂直的線(xiàn)偏振光,再經(jīng)分光鏡分為兩路。一路經(jīng)偏振片1后成為含有頻率為f1-f2的參考光束。另一路經(jīng)偏振分光鏡后又分為兩路：一路成為僅含有f1的光束,另一路成為僅含有f2的光束。當(dāng)可動(dòng)反射鏡移動(dòng)時(shí),含有f2的光束經(jīng)可動(dòng)反射鏡反射后成為含有f2 ±Δf的光束，Δf是可動(dòng)反射鏡移動(dòng)時(shí)因多普勒效應(yīng)產(chǎn)生的附加頻率,正負(fù)號(hào)表示移動(dòng)方向(多普勒效應(yīng)是奧地利人C.J.多普勒提出的，即波的頻率在波源或接受器運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生變化)。這路光束和由固定反射鏡反射回來(lái)僅含有f1的光的光束經(jīng)偏振片2后會(huì)合成為f1-(f2±Δf）的測(cè)量光束。測(cè)量光束和上述參考光束經(jīng)各自的光電轉(zhuǎn)換元件、放大器、整形器后進(jìn)入減法器相減,輸出成為僅含有±Δf的電脈沖信號(hào)。經(jīng)可逆計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)后，由電子計(jì)算機(jī)進(jìn)行當(dāng)量換算（乘 1/2激光波長(zhǎng)）后即可得出可動(dòng)反射鏡的位移量。雙頻激光干涉儀是應(yīng)用頻率變化來(lái)測(cè)量位移的，這種位移信息載于f1和f2的頻差上，對(duì)由光強(qiáng)變化引起的直流電平變化不敏感，所以抗干擾能力強(qiáng)。它常用于檢定測(cè)長(zhǎng)機(jī)、三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)、光刻機(jī)和加工中心等的坐標(biāo)精度，也可用作測(cè)長(zhǎng)機(jī)、高精度三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)等的測(cè)量系統(tǒng)。利用相應(yīng)附件，還可進(jìn)行高精度直線(xiàn)度測(cè)量、平面度測(cè)量和小角度測(cè)量。