[发明专利]中继式飞秒脉冲高精度位移探测装置

说明书

中继式飞秒脉冲高精度位移探测装置属于引力波探测领域，该装置包括：测量端、一号飞秒锁相中继器、二号飞秒锁相中继器和三号飞秒锁相中继器；本发明采用了脉冲时域锁定式中继测量结构，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，将系统回光功率由被测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超远距离动态位移探测；通过光延迟线扫描实现了亚纳米级灵敏度的位移探测；测量端和三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。

技术领域

本发明属于引力波探测领域，主要涉及一种外太阳系尺度超远距离高精度飞秒激光脉冲位移探测装置。

背景技术

多年以来，引力波探测一直是世界各国的研究热点，引力波的探测是对广义相对论预言的直接验证，也是对其核心思想的直接检验，并且对探讨引力场的量子化和大统一模型、研究宇宙起源和演化具有重大意义。引力波的探测直接促成了引力波天文学的诞生，使得用引力波代替传统的电磁波手段观测宇宙成为可能，这可以为我们提供大量过去无法获得的信息，为人们进一步加深对宇宙的理解提供了新的途径。

远距离精密位移探测是引力波探测的核心技术，目前的探测方法多基于激光干涉仪。美国的LIGO、德国的GEO600、意大利的VIRGO和日本的TAMA300等地面引力波探测器，测程可达几十公里；美国的LISA、欧洲的NGO等空间引力波探测器，测程可达数百万公里；中国和欧洲合作的ASTROD等深空引力波探测器测程将达到上亿公里，而其后续任务的测程更远，将在外太阳系尺度上展开精密位移探测。

然而，在上述深空引力波探测任务中，由于测程遥远，以目前的光束整形技术，即使出射光的光束发散角仅为几个微弧度，在到达遥远的目标端时，光斑也将扩散得极其明显；再加上光路中不可避免的光学损耗，测距系统的回光功率与被测距离呈四次方关系剧烈衰减，系统最终探测到的回光能量仅为出射能量中很小的一部分。例如，空间引力波探测项目LISA中的系统回光能量仅为出射光能量的1/10¹⁰，ASTROD中的系统回光能量仅为出射光能量的3/10¹⁴。回光功率过小将会导致测距系统的信噪比大幅度降低，进而测量精度无法满足需求，甚至根本无法测量。

在远距离激光测距领域，如2002年，Journal of Geodynamics第34卷第三期发表文章《Asynchronous laser transponders for precise interplanetary ranging andtime transfer》；又如2010年，光电工程第37卷第5期发表文章《异步应答激光测距技术》，均在被测端采用异步应答器对测距系统的脉冲功率进行放大，使得系统回光功率由被测距离的四次方衰减函数变为了平方衰减函数，大幅度扩展了系统测程。但是，该方法放大后的脉冲序列与原脉冲序列相比存在时域延迟及时钟不同步的问题，不能在放大脉冲功率的同时保留原脉冲信号的时域信息，只能通过其它手段进行补偿，导致测距精度难以突破毫米量级。且该方法需要在距离遥远的两个测量端之间实现高精度时钟同步和实时通信。

在引力波探测领域，如2003年，Physical Review D第67卷第12期发表文章《Implementation of time-delay interferometry for LISA》；又如2012年，Journal ofGeodesy第86卷第12期发表文章《Intersatellite laser ranging instrument for theGRACE follow-on mission》，均提出了双向激光干涉位移探测方法，通过被测端的从属激光器配合测量端的主激光器进行测量，其测程可以达到五百万公里。但是，双向干涉仪仍然无法满足ASTROD等深空引力波探测任务上亿公里的测程需求，且该方法需要距离遥远的两个测量端之间实现实时通信与高精度时钟同步，这在上亿公里的距离尺度上是很难实现的。