低噪声激光干涉模拟装置

本发明涉及空间引力波探测，特别是一种低噪声激光干涉模拟装置。

背景技术：

1、近年来，引力波天文学研究迅猛发展，引力波探测对科学家研究黑洞、中子星的形成与演化、宇宙演化模型等有重要意义。当前的引力波探测主要是通过地基引力波探测器实现，该方法已运行多年，并取得了大量成果。然而基于迈克尔逊干涉仪原理的地基引力波探测器受限于干涉臂长，只能探测1hz到khz的高频段引力波信号，无法实现对1hz以下的信号探测。但是，引力波信号在mhz波段最为丰富，这迫使国内外研究机构向十万到百万公里臂长的空间引力波探测器方向发展。当前发展最快的是欧洲主导的lisa计划(laserinterferometer space antenna，激光干涉仪空间天线)。该计划开了大量的地面半物理仿真模拟研究并于2015年和2018年发射技术验证星lisapathfinder和高精度地球重力场测量卫星，已验证了多项空间引力波探测的关键技术。国内也在不断推进空间引力波探测的科学研究，中科院和中山大学分别提出了太极计划和天琴计划，开启了天基引力波探测器的研究。

2、与地基引力波探测器相比，天基探测器不仅表现为臂长更长，可探测引力波信号更丰富的低频段，另一方面是能够排除地面各类噪声的干扰。但是在地面进行天基引力波探测器研制和技术验证过程中，又必须面临各类地面噪声的干扰，所以在地面搭建半物理仿真模拟器过程中必须要考虑如何抑制地面噪声的影响。地面环境下温度变化、气流、微振动均会对引力波探测器带来影响，其带来的背景噪声一般可达百nm～千nm量级，对10pm(10-11m)量级的极小尺度目标信号探测带来极大困难。本发明提出一种低噪声高稳定激光干涉仪模拟装置，用于解决该问题。

技术实现思路

1、本发明目的在于提供一种用于空间引力波探测研究的低噪声激光干涉模拟装置，以抑制地面半物理仿真条件下的各类环境噪声影响，实现对空间引力波探测器星间激光干涉和星内激光干涉的模拟研究，完成对对极小尺度引力波和噪声信号的模拟注入和探测研究。

2、为解决上述问题，本发明的技术解决方案如下：

3、包括主星激光系统和从星激光系统构成，从星激光器系统的信标光由主星激光系统的信标光分束得到，利用同一个激光源干涉测量消除不同激光器相差的干扰；

4、主星激光系和从星激光系统(26)均包括1064nm稳频信号激光源、第一准直镜、第二准直镜、合束镜、摆镜、起偏器、第一1/2波片、第二1/2波片、第一偏振分束器、第二偏振分束器、第一532nm滤光片、第一聚焦透镜、第一532nm光电探测器、第一相位计和锁相电路、第一分色片、第一1064反射镜、声光调制器、第一信号模拟控制系统、1/4波片、检验质量块、质量块控制模块，主星激光系统相比从星激光系统多一个倍频模块。

5、1064nm稳频信号激光源输出两束光：一束光作为信号光，另外一束光经过倍频模块产生532nm光，作为信标光，信号光和信标光分别经过第一准直镜、第二准直镜后由光纤光转换为空间准直光束，然后经过合束镜合束，再经过摆镜90度转折后，先经过起偏器保障固定偏振态输出，然后由第一1/2波片进行分光比例控制，再经过第一偏振分束器分为反射的s光和透射的p光，所述s光依次经第二1/2波片和第二偏振分束器后分光进入532nm信标光和1064nm信号光的独立相位检测光路，第二偏振分束器将输入光分为反射光和透射光，沿透射光方向依次是第一532nm滤光片、第一聚焦透镜、第一532nm光电探测器以及第一相位计和锁相电路，第一相位计和锁相电路对第一532nm光电探测器输出的电信号进行信标光的相位提取；同理，反射光方向探测1064信号光的并进行相位提取，在第一相位计和锁相电路将信号光的相位信息扣除信标光的相位数据后获得有效测相信号并输出；

6、p光经过1064nm和532nm的第一分色片，其中532nm的光透射进行直线传输，1064nm的光则经第一1064反射镜反射90度，进入主星激光系统内的声光调制器进行频率调节，频率信号fa来自于第一信号模拟控制系统，第一信号模拟控制系统进行相位误差模拟信号的注入，1064nm信号光经声光调制器的频率调制后经反射回到主光路，和532nm信标光形成再次合束，该合束光然后穿过1/4波片由检验质量块反射沿原路返回，偏振态为p光；原路返回的p光再次穿过1/4波片，偏振态变为s光，后续再次经过信号光和信标光的分离和信号光调制，然后经第一偏振分束器反射，向从星激光系统传输；

7、该反射的光在进入从星激光系统前先经过星间偏振转换波片，然后再次进行了信号光和信标光的分离，首先经过1064nm和532nm的第二分色片，其中532nm的光透射进行直线传输，1064nm的光则经第二1064反射镜反射90度，进入星间声光调制器进行频率调节，其频率信号f0来自于第二信号模拟控制系统，进行星间引力波信号的模拟注入；检验质量块具有反射光束的功能，并且具有两维摆动和一维平移运动功能，通过质量块控制模块对检验质量块进行位移和角度控制，质量块控制模块向检验质量块注入指定频谱的信号，可实现对空间光学系统指定光程噪声的模拟。

8、本发明的技术效果：

9、1)采用双频激光相位测量方案，利用独立信标光对激光干涉仪模拟器系统光程噪声进行检验，并在干涉仪控制系统中进行补偿，以消除地面各类环境噪声的影响，实现低噪声激光干涉模拟器，保障在地面环境下对极小尺度引力波信号的模拟和探测研究。

10、2)在本地干涉仪内部和星间模拟激光链路中分别采用声光调制器件和高分辨直接数字频率合成器(dds)，通过两个声光调制器差频的方式实现10-11m量级小尺度相位信号的模拟。

11、3)通过主星激光系统和从星激光系统的两个声光调制器的信号注入组合，可实现多类型相位噪声的模拟注入；

12、4)通过压电促动器实现对检验质量块沿光路方向的位移控制、角度，可实现对激光干涉模拟的大尺度噪声的补偿和特定光程噪声信号的模拟注入，并且可模拟质量块的角速度噪声、扭摆角度偏差等；

13、5)本发明可适用于实现在轨各类噪声的模拟、有效引力波信号模拟，以实现对星载激光干涉仪和引力波探测器的性能验证；

14、6)本发明可应用于空间引力波探测器的地面半物理仿真系统；

15、7)本发明具有良好的可扩展性，扩展后可同时模拟星内干涉激光链路及多条星间干涉激光链路。

技术特征：

1.一种低噪声激光干涉模拟装置，其特征在于：包括主星激光系统和从星激光系统(26)构成，所述的从星激光器系统的信标光由主星激光系统的信标光分束得到，利用同一个激光源干涉测量消除不同激光器相差的干扰；

2.根据权利要求1所述的低噪声激光干涉模拟装置，其特征在于：信标光和信号光通过两个光电探测器(12)、相位计和锁相电路(13)进行独立相位提取，信标光和信号光基本同光路，其测相输出作为系统的光程背景噪声，信号光测相输出结果和光程背景噪声做差得到有效信号输出，通过该方式消除地面搭建引力波探测模拟器的环境噪声问题，以实现极低噪声的激光干涉测量。

3.根据权利要求1所述的低噪声激光干涉模拟装置，其特征在于：信标光由信号光经过倍频模块(2)产生输出，也可以通过其他保证信号和信标光同源输出的方法。

4.根据权利要求1所述的低噪声激光干涉模拟装置，其特征在于：所述的倍频模块(2)输出的532nm信标光通过分束后同时作为主星激光系统的和从星激光系统的信标光发射源。

5.根据权利要求1所述的用于空间引力波探测研究的低噪声激光干涉模拟装置，其特征在于：空间引力波的10pm(10-11m)量级的极小尺度光程变化信息通过主星激光系统内的声光调制器(16)加载的频率信息fa和主、从激光系统间的星间声光调制器(24)加载的频率信号fo做差得到，主星内声光调制器(16)和星间声光调制器(24)的频率信号注入由信号模拟控制系统(17)和第二信号模拟控制系统(25)实现，通过直接数字频率合成器(简称为dds)实现高分辨的频率生成，通过控制这两个差频信号实现星间引力波、特定相位噪声等极小尺度相位信息的模拟注入。

技术总结
一种用于空间引力波探测研究的低噪声激光干涉模拟装置，属于空间激光测量技术领域。空间引力波表现为时空的微弱扰动，信号尺度极小，对系统的稳定性和噪声敏感。由于地面影响因素繁多，背景噪声比有效信号高4～5个数量级，搭建引力波探测模拟器难度极大。本发明为一种低噪声高稳定激光干涉仪模拟装置，提出基于同源的信标光、信号光的双频激光干涉测量地面模拟方法。信号光和信标光通过分频相干测相的方式进行独立相位提取，信标光测相用于光程误差检验锁定，抑制背景噪声，同时采用高分辨差频信号注入方法实现对极小尺度相位涨落信号光的模拟。该装置和相关方法可适应于星间激光干涉测量、星内干涉等空间引力波探测系统的地面验证和半物理仿真。

技术研发人员：李佳蔚,朱韧,孙建锋,侯霞,陈卫标
受保护的技术使用者：中国科学院上海光学精密机械研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/1/11