技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本
發(fā)明屬于
引力波探測領(lǐng)域，主要涉及一種基于飛秒激光的
太陽系尺度深空引力波探測方法及裝置。
背景技術(shù)
[0002] 多年以來，引力波探測一直是世界各國的研究熱點(diǎn)，引力波的探測是對
廣義相對論預(yù)言的直接驗(yàn)證，也是對其核心思想的直接檢驗(yàn)，并且對探討引力場的量子化和大統(tǒng)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(xué)的誕生，使得用引力波代替?zhèn)鹘y(tǒng)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(jìn)一步加深對宇宙的理解提供了新的途徑。
[0003] 遠(yuǎn)距離精密位移探測是引力波探測的核心技術(shù)，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(dá)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(dá)數(shù)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(dá)到上億公里，而其后續(xù)任務(wù)的測程更遠(yuǎn)，將在外太陽系尺度上展開精密位移探測。
[0004] 然而，在上述深空引力波探測任務(wù)中，由于測程遙遠(yuǎn)，以目前的光束整形技術(shù)，即使出射光的光束發(fā)散
角僅為幾個微弧度，在到達(dá)遙遠(yuǎn)的目標(biāo)端時(shí)，光斑也將擴(kuò)散得極其明顯；再加上光路中不可避免的光學(xué)損耗，測距系統(tǒng)的回光功率與被測距離呈四次方關(guān)系劇烈衰減，系統(tǒng)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(xiàng)目LISA中的系統(tǒng)回光能量僅為出射光能量的1/1010，ASTROD中的系統(tǒng)回光能量僅為出射光能量的3/1014?；毓夤β蔬^小將會導(dǎo)致測距系統(tǒng)的
信噪比大幅度降低，進(jìn)而測量
精度無法滿足需求，甚至根本無法測量。
[0005] 在遠(yuǎn)距離激光測距領(lǐng)域，如2002年，Journal?of?Geodynamics第34卷第三期發(fā)表文章《Asynchronous?laser?transponders?for?precise?interplanetary?ranging?and?time?transfer》；又如2010年，光電工程第37卷第5期發(fā)表文章《異步應(yīng)答激光測距技術(shù)》，均在被測端采用異步應(yīng)答器對測距系統(tǒng)的脈沖功率進(jìn)行放大，使得系統(tǒng)回光功率由被測距離的四次方衰減函數(shù)變?yōu)榱似椒剿p函數(shù)，大幅度擴(kuò)展了系統(tǒng)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(shí)域延遲及時(shí)鐘不同步的問題，不能在放大脈沖功率的同時(shí)保留原脈沖
信號的時(shí)域信息，只能通過其它手段進(jìn)行補(bǔ)償，導(dǎo)致測距精度難以突破毫米量級。且該方法需要在距離遙遠(yuǎn)的兩個測量端之間實(shí)現(xiàn)高精度時(shí)鐘同步和實(shí)時(shí)通信。
[0006] 在引力波探測領(lǐng)域，如2003年，Physical?Review?D第67卷第12期發(fā)表文章《Implementation?of?time-delay?interferometry?for?LISA》；又如2012年，Journal?of?Geodesy第86卷第12期發(fā)表文章《Intersatellite?laser?ranging?instrument?for?the?GRACE?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(jìn)行測量，其測程可以達(dá)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(wù)上億公里的測程需求，且該方法需要距離遙遠(yuǎn)的兩個測量端之間實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)通信與高精度時(shí)鐘同步，這在上億公里的距離尺度上是很難實(shí)現(xiàn)的。
[0007] 近年來，隨著飛秒激光技術(shù)的發(fā)展，飛秒脈沖測距方法逐漸進(jìn)入了人們的
視野。其主要優(yōu)勢在于脈沖能量非常集中，可以在瞬間達(dá)到極高的
峰值功率。相比于干涉測量和雙向干涉測量等連續(xù)波測量方法，在相同的激光器
平均功率下，系統(tǒng)回光功率可以提高多個甚至十余個量級，因而更適合于超遠(yuǎn)距離測量。此外，基于飛秒激光的測距方法相比于傳統(tǒng)脈沖測距方法而言，可以達(dá)到更高的精度。
[0008] 在飛秒激光測距領(lǐng)域，如2010年，Nature?Photonics第4卷第10期發(fā)表文章《Time-of-flight?measurement?with?femtosecond?light?pulses》；又如2012年，物理學(xué)報(bào)第61卷第24期發(fā)表文章《基于飛秒激光平衡光學(xué)互相關(guān)的任意長絕對距離測量》，均提出一種針對飛秒脈沖的平衡光學(xué)互相關(guān)方法，通過測量脈沖和參考脈沖之間的時(shí)域
鎖定，實(shí)現(xiàn)了納米量級的測距精度。但在超遠(yuǎn)距離測量中，該方法尚不足以滿足深空引力波探測任務(wù)的測程需求，且隨著被測距離的增大，其測量誤差線性增大，無法滿足空間引力波探測任務(wù)的精度需求。此外，在超遠(yuǎn)距離測量中，由于測量光的往返時(shí)間很長，極大地影響了測量系統(tǒng)的動態(tài)特性，使得該方法只能測量靜態(tài)目標(biāo)，無法實(shí)現(xiàn)位移探測。
[0009] 綜上所述，目前在引力波探測領(lǐng)域缺少一種基于飛秒激光的太陽系尺度深空引力波探測方法及裝置。
發(fā)明內(nèi)容
[0010] 本發(fā)明針對上述引力波探測和遠(yuǎn)距離激光測量方法及裝置探測靈敏度較低、測程有待進(jìn)一步提高、以及距離遙遠(yuǎn)的測量端之間難以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)通信和高精度時(shí)鐘同步等問題，提出并設(shè)計(jì)了一種基于雙向飛秒脈沖的深空引力波探測方法及裝置。利用三顆衛(wèi)星在太陽系軌道上構(gòu)成了等臂長差動探測結(jié)構(gòu)，兩個測量臂均采用了脈沖時(shí)域鎖定式雙向測量結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了上億公里尺度的深空引力波探測，探測靈敏度可以達(dá)到亞納米量級，同時(shí)避免了相距遙遠(yuǎn)的衛(wèi)星之間的實(shí)時(shí)通信和高精度時(shí)鐘同步問題。
[0011] 本發(fā)明的目的通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：
[0012] 一種雙向飛秒脈沖高精度位移探測方法，該方法步驟如下：
[0013] a、將主星、從星A和從星B按照預(yù)設(shè)軌道發(fā)射，三顆衛(wèi)星均勻分布在太陽系軌道上，構(gòu)成邊長約為2.7億公里的等邊三角形；主星分別與從星A和從星B構(gòu)成兩個等臂長的測量臂，對兩個臂長的相對變化進(jìn)行精密探測；
[0014] b、在位于主星的測量端中，一號飛秒激光器發(fā)出的飛秒激光脈沖序列經(jīng)過一號分光光路后分為兩束；第一束作為測量信號A發(fā)射向遙遠(yuǎn)的從星A，第二束作為測量信號B發(fā)射向遙遠(yuǎn)的從星B；
[0015] c、在位于從星A的一號主動
反射器中，二號飛秒激光器發(fā)出的飛秒激光脈沖序列經(jīng)過二號分光光路后分為兩束；其中一束作為回
光信號A發(fā)射回遙遠(yuǎn)的主星，另一束作為參考信號A與探測到的測量信號A一同由二號平衡光電探測單元進(jìn)行探測；對參考信號A與探測到的測量信號A進(jìn)行平衡光電探測后產(chǎn)生反饋信號，進(jìn)而對二號飛秒激光器的腔長進(jìn)行反饋控制，通過改變其脈沖重復(fù)
頻率，實(shí)現(xiàn)參考信號A與探測到的測量信號A的高精度脈沖時(shí)域互鎖；同時(shí)，在位于從星B的二號主動反射器中，三號飛秒激光器發(fā)出的飛秒激光脈沖序列經(jīng)過三號分光光路后分為兩束；其中一束作為回光信號B發(fā)射回遙遠(yuǎn)的主星，另一束作為參考信號B與探測到的測量信號B一同由三號平衡光電探測單元進(jìn)行探測；對參考信號B與探測到的測量信號B進(jìn)行平衡光電探測后產(chǎn)生反饋信號，進(jìn)而對三號飛秒激光器的腔長進(jìn)行反饋控制，通過改變其脈沖重復(fù)頻率，實(shí)現(xiàn)參考信號B與探測到的測量信號B的高精度脈沖時(shí)域互鎖；
[0016] d、在位于主星的測量端中，探測到的回光信號A和回光信號B一同由一號平衡光電探測單元進(jìn)行探測；對回光信號A和回光信號B進(jìn)行平衡光電探測后產(chǎn)生反饋信號，通過光延遲線掃描的方式對回光信號B的光程進(jìn)行反饋控制，實(shí)現(xiàn)回光信號A和回光信號B的高精度脈沖時(shí)域互鎖；
[0017] e、當(dāng)引力波以合適的角度掃過時(shí)，兩個測量臂都將產(chǎn)生極為微小的反向位移，導(dǎo)致回光信號A和回光信號B在時(shí)域上產(chǎn)生偏差；一號控制單元控制光延遲線掃描單元改變回光信號B的光程，使得回光信號A和回光信號B的脈沖序列重新鎖定，則精密位移臺產(chǎn)生的位移量即為兩個測量臂產(chǎn)生的位移之差，亦即目標(biāo)引力波信號。
[0018] 一種基于雙向飛秒脈沖的深空引力波探測裝置，其測量端包括一號飛秒激光器、一號分光光路、一號平衡光電探測單元、一號控制單元和光延遲線掃描單元；在兩個被測端分別設(shè)置了一號主動反射器和二號主動反射器，構(gòu)成對引力波信號的等臂長差動探測結(jié)構(gòu)，兩個等長的測量臂均采用了脈沖時(shí)域鎖定式雙向測量結(jié)構(gòu)；所述一號主動反射器由二號飛秒激光器、二號分光光路、二號平衡光電探測單元和二號控制單元組成；二號飛秒激光器的輸出光指向二號分光光路；二號分光光路的輸出光分別指向測量端和二號平衡光電探測單元的輸入端；二號平衡光電探測單元的輸出端連接到二號控制單元的輸入端；二號控制單元的輸出端連接到二號飛秒激光器；所述二號主動反射器由三號飛秒激光器、三號分光光路、三號平衡光電探測單元和三號控制單元組成；三號飛秒激光器的輸出光指向三號分光光路；三號分光光路的輸出光分別指向測量端和三號平衡光電探測單元的輸入端；三號平衡光電探測單元的輸出端連接到三號控制單元的輸入端；三號控制單元的輸出端連接到三號飛秒激光器。
[0019] 所述一號分光光路的結(jié)構(gòu)是：一號飛秒激光器的輸出光經(jīng)過一號四分之一波片和一號偏振分光鏡后分為兩束；其中一束
透射光經(jīng)過四號四分之一波片和一號擴(kuò)束
準(zhǔn)直器后射向一號主動反射器；另一束反射光經(jīng)過二號四分之一波片和三號擴(kuò)束
準(zhǔn)直器后射向二號主動反射器；一號主動反射器發(fā)射過來的激光經(jīng)過二號擴(kuò)束準(zhǔn)直器、五號四分之一波片、二號反射鏡和二號偏振分光鏡后射向一號平衡光電探測單元；二號主動反射器發(fā)射過來的激光經(jīng)過四號擴(kuò)束準(zhǔn)直器、三號四分之一波片和一號反射鏡后射向角錐反射鏡；角錐反射鏡的反射光經(jīng)二號偏振分光鏡反射后也射向一號平衡光電探測單元。
[0020] 所述二號分光光路的結(jié)構(gòu)是：二號飛秒激光器的出射光經(jīng)過七號四分之一波片和四號偏振分光鏡后分為兩束；其中一束透射光經(jīng)過八號四分之一波片和六號擴(kuò)束準(zhǔn)直器后射向主星測量端；另一束反射光經(jīng)過三號偏振分光鏡后射向二號平衡光電探測單元；同時(shí)，從主星測量端發(fā)射過來的激光經(jīng)過五號擴(kuò)束準(zhǔn)直器、六號四分之一波片和三號偏振分光鏡后也射向二號平衡光電探測單元。
[0021] 所述三號分光光路的結(jié)構(gòu)是：三號飛秒激光器的出射光經(jīng)過十號四分之一波片和六號偏振分光鏡后分為兩束；其中一束透射光經(jīng)過十一號四分之一波片和八號擴(kuò)束準(zhǔn)直器后射向主星測量端；另一束反射光經(jīng)過五號偏振分光鏡后射向三號平衡光電探測單元；同時(shí)，從主星測量端發(fā)射過來的激光經(jīng)過七號擴(kuò)束準(zhǔn)直器、九號四分之一波片和五號偏振分光鏡后也射向三號平衡光電探測單元。
[0022] 本發(fā)明具有以下特點(diǎn)及有益效果：
[0023] (1)兩個測量臂均采用了脈沖時(shí)域鎖定式雙向測量結(jié)構(gòu)，將系統(tǒng)回光功率由被測距離的四次方衰減函數(shù)變?yōu)榱似椒剿p函數(shù)，實(shí)現(xiàn)了上億公里尺度的超遠(yuǎn)距離深空探測，探測靈敏度可以達(dá)到亞納米量級。
[0024] (2)三顆衛(wèi)星構(gòu)成的等臂長探測結(jié)構(gòu)在很大程度上抵消了激光器頻率誤差帶來的影響，通過光延遲線掃描對光程進(jìn)行反饋控制實(shí)現(xiàn)了對引力波信號的差動探測，保證了超遠(yuǎn)距離位移探測過程中亞納米量級的探測靈敏度。
[0025] (3)主星測量端與兩個從星主動反射器之間相對獨(dú)立，避免了相距遙遠(yuǎn)的衛(wèi)星間的實(shí)時(shí)通信和高精度時(shí)鐘同步問題。
附圖說明
[0026] 圖1為本發(fā)明的總體配置結(jié)構(gòu)示意圖。
[0027] 圖2為本發(fā)明的裝置結(jié)構(gòu)示意圖。
[0028] 圖中件號說明：1一號平衡光電探測單元、2一號飛秒激光器、3三號分光光路、4三號平衡光電探測單元、5三號控制單元、6三號飛秒激光器、7二號平衡光電探測單元、8二號控制單元、9二號飛秒激光器、10二號分光光路、11一號分光光路、12光延遲線掃描單元、13一號控制單元、14一號四分之一波片、15一號偏振分光鏡、16二號四分之一波片、17三號擴(kuò)束準(zhǔn)直器、18七號擴(kuò)束準(zhǔn)直器、19九號四分之一波片、20五號偏振分光鏡、21三號整形
電路、22三號控制電路、23十號四分之一波片、24六號偏振分光鏡、25十一號四分之一波片、26八號擴(kuò)束準(zhǔn)直器、27四號擴(kuò)束準(zhǔn)直器、28三號四分之一波片、29四號四分之一波片、30一號擴(kuò)束準(zhǔn)直器、31五號擴(kuò)束準(zhǔn)直器、32六號四分之一波片、33三號偏振分光鏡、34二號整形電路、
35二號控制電路、36七號四分之一波片、37四號偏振分光鏡、38八號四分之一波片、39六號擴(kuò)束準(zhǔn)直器、40二號擴(kuò)束準(zhǔn)直器、41五號四分之一波片、42二號反射鏡、43二號偏振分光鏡、
44一號反射鏡、45一號整形電路、46角錐反射鏡、47一號控制電路、48精密直線
導(dǎo)軌、49精密位移臺。
具體實(shí)施方式
[0029] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明
實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)描述。
[0030] 本實(shí)施例的基于雙向飛秒脈沖的深空引力波探測裝置，圖1為其總體配置結(jié)構(gòu)示意圖，圖2為其裝置結(jié)構(gòu)示意圖，該裝置的測量端包括一號飛秒激光器2、一號分光光路11、一號平衡光電探測單元1、一號控制單元13和光延遲線掃描單元12；在兩個被測端分別設(shè)置了一號主動反射器和二號主動反射器，構(gòu)成對引力波信號的等臂長差動探測結(jié)構(gòu)，兩個等長的測量臂均采用了脈沖時(shí)域鎖定式雙向測量結(jié)構(gòu)；所述一號主動反射器由二號飛秒激光器9、二號分光光路10、二號平衡光電探測單元7和二號控制單元8組成；二號飛秒激光器9的輸出光指向二號分光光路10；二號分光光路10的輸出光分別指向測量端和二號平衡光電探測單元7的輸入端；二號平衡光電探測單元7的輸出端連接到二號控制單元8的輸入端；二號控制單元8的輸出端連接到二號飛秒激光器9；所述二號主動反射器由三號飛秒激光器6、三號分光光路3、三號平衡光電探測單元4和三號控制單元5組成；三號飛秒激光器6的輸出光指向三號分光光路3；三號分光光路3的輸出光分別指向測量端和三號平衡光電探測單元4的輸入端；三號平衡光電探測單元4的輸出端連接到三號控制單元5的輸入端；三號控制單元5的輸出端連接到三號飛秒激光器6。
[0031] 所述一號分光光路11的結(jié)構(gòu)是：一號飛秒激光器2的輸出光經(jīng)過一號四分之一波片14和一號偏振分光鏡15后分為兩束；其中一束透射光經(jīng)過四號四分之一波片29和一號擴(kuò)束準(zhǔn)直器30后射向一號主動反射器；另一束反射光經(jīng)過二號四分之一波片16和三號擴(kuò)束準(zhǔn)直器17后射向二號主動反射器；一號主動反射器發(fā)射過來的激光經(jīng)過二號擴(kuò)束準(zhǔn)直器40、五號四分之一波片41、二號反射鏡42和二號偏振分光鏡43后射向一號平衡光電探測單元1；二號主動反射器發(fā)射過來的激光經(jīng)過四號擴(kuò)束準(zhǔn)直器27、三號四分之一波片28和一號反射鏡44后射向角錐反射鏡46；角錐反射鏡46的反射光經(jīng)二號偏振分光鏡43反射后射向一號平衡光電探測單元1。
[0032] 所述二號分光光路8的結(jié)構(gòu)是：二號飛秒激光器9的出射光經(jīng)過七號四分之一波片36和四號偏振分光鏡37后分為兩束；其中一束透射光經(jīng)過八號四分之一波片38和六號擴(kuò)束準(zhǔn)直器39后射向主星測量端；另一束反射光經(jīng)過三號偏振分光鏡33后射向二號平衡光電探測單元7；同時(shí)，從主星測量端發(fā)射過來的激光先后經(jīng)過五號擴(kuò)束準(zhǔn)直器31、六號四分之一波片32和三號偏振分光鏡33后也射向二號平衡光電探測單元7。
[0033] 所述三號分光光路3的結(jié)構(gòu)是：三號飛秒激光器6的出射光經(jīng)過十號四分之一波片23和六號偏振分光鏡24后分為兩束；其中一束透射光經(jīng)過十一號四分之一波片25和八號擴(kuò)束準(zhǔn)直器26后射向主星測量端；另一束反射光經(jīng)過五號偏振分光鏡20后射向三號平衡光電探測單元4；同時(shí)，從主星測量端發(fā)射過來的激光先后經(jīng)過七號擴(kuò)束準(zhǔn)直器18、九號四分之一波片19和五號偏振分光鏡20后也射向三號平衡光電探測單元4。
[0034] 一種基于雙向飛秒脈沖的深空引力波探測方法，該方法步驟如下：
[0035] a、將主星、從星A和從星B按照預(yù)設(shè)軌道發(fā)射，三顆衛(wèi)星均勻分布在太陽系軌道上，構(gòu)成邊長約為2.7億公里的等邊三角形；主星分別與從星A和從星B構(gòu)成兩個等臂長的測量臂，對兩個臂長的相對變化進(jìn)行精密探測。
[0036] b、在位于主星的測量端中，由一號飛秒激光器2發(fā)出的飛秒激光脈沖序列經(jīng)過一號四分之一波片14后由線偏振光變?yōu)榱藞A偏振光，其
波長λ為1550nm；脈沖重復(fù)頻率f為100MHz；脈沖周期T為10-8s；脈沖寬度w為10fs。該圓偏振光經(jīng)過一號偏振分光鏡15后分為兩束，被透射的P光作為測量信號A，記為Sma，經(jīng)過四號四分之一波片29后變?yōu)閳A偏振光，再經(jīng)過一號擴(kuò)束準(zhǔn)直器30的擴(kuò)束準(zhǔn)直后發(fā)射向遠(yuǎn)方的從星A；被反射的S光作為測量信號B，記為Smb，經(jīng)過二號四分之一波片16后變?yōu)閳A偏振光，再經(jīng)過三號擴(kuò)束準(zhǔn)直器17的擴(kuò)束準(zhǔn)直后，發(fā)射向遠(yuǎn)方的從星B。
[0037] c、在位于從星A的一號主動反射器中，步驟b中的Sma經(jīng)過約2.7億公里的傳播后，由二號分光光路10接收。探測到的測量信號A，記為Sma’，經(jīng)過五號擴(kuò)束準(zhǔn)直器31和六號四分之一波片32后變?yōu)镻光，又經(jīng)過三號偏振分光鏡33的透射后射向二號平衡光電探測單元7。由二號飛秒激光器9發(fā)出的飛秒激光脈沖序列經(jīng)過七號四分之一波片36后由線偏振光變?yōu)榱藞A偏振光，其波長λa為1550nm；脈沖重復(fù)頻率fa約100MHz；脈沖周期Ta約10-8s；脈沖寬度wa為10fs。該圓偏振光經(jīng)過四號偏振分光鏡37后分為兩束，被透射的P光作為回光信號A，記為Sba，經(jīng)過八號四分之一波片38后變?yōu)閳A偏振光,再經(jīng)過六號擴(kuò)束準(zhǔn)直器39的擴(kuò)束準(zhǔn)直后，發(fā)射回遠(yuǎn)方的主星；被反射的S光作為參考信號A，記為Sra，經(jīng)過三號偏振分光鏡33的反射后射向二號平衡光電探測單元7。Sma’和Sra經(jīng)過平衡光電探測后產(chǎn)生反饋信號A。反饋信號A在二號整形電路34中經(jīng)過濾波、放大和整形后，進(jìn)入二號控制電路35；由二號控制電路35產(chǎn)生
控制信號，對二號飛秒激光器9的脈沖重復(fù)頻率進(jìn)行反饋控制，從而實(shí)現(xiàn)Sra和Sma’在時(shí)域上的實(shí)時(shí)重疊與鎖定，亦即Sba和Sma’之間的脈沖時(shí)域互鎖。
[0038] 同樣地，在位于從星B的二號主動反射器中，步驟b中的Smb經(jīng)過約2.7億公里的傳播后，由三號分光光路3接收。探測到的測量信號B，記為Smb’，經(jīng)過七號擴(kuò)束準(zhǔn)直器18和九號四分之一波片19后變?yōu)镻光，又經(jīng)過五號偏振分光鏡20的透射后射向三號平衡光電探測單元4。由三號飛秒激光器6發(fā)出的飛秒激光脈沖序列經(jīng)過十號四分之一波片23后由線偏振光變-8
為了圓偏振光，其波長λb為1550nm；脈沖重復(fù)頻率fb約100MHz；脈沖周期Tb約10 s；脈沖寬度wb為10fs。該圓偏振光經(jīng)過六號偏振分光鏡24后分為兩束，被透射的P光作為回光信號B，記為Sbb，經(jīng)過十一號四分之一波片25后變?yōu)閳A偏振光,再經(jīng)過八號擴(kuò)束準(zhǔn)直器26的擴(kuò)束準(zhǔn)直后，發(fā)射回遠(yuǎn)方的主星；被反射的S光作為參考信號B，記為Srb，經(jīng)過五號偏振分光鏡20的反射后射向二號平衡光電探測單元7。Smb’和Srb經(jīng)過平衡光電探測后產(chǎn)生反饋信號B。反饋信號B在三號整形電路21中經(jīng)過濾波、放大和整形后，進(jìn)入三號控制電路22；由三號控制電路
22產(chǎn)生控制信號，對三號飛秒激光器6的脈沖重復(fù)頻率進(jìn)行反饋控制，從而實(shí)現(xiàn)Srb和Smb’在時(shí)域上的實(shí)時(shí)重疊與鎖定，亦即Sbb和Smb’之間的脈沖時(shí)域互鎖。
[0039] d、在主星中，步驟c中的Sba經(jīng)過約2.7億公里的傳播后，由主星分光光路11接收。探測到的回光信號A，記為Sba’，為圓偏振光，經(jīng)過二號擴(kuò)束準(zhǔn)直器40和五號四分之一波片41后變?yōu)镻光，又經(jīng)過二號反射鏡42和二號偏振分光鏡43后射向一號平衡光電探測單元1。
[0040] 同時(shí)，步驟c中的Sbb經(jīng)過約2.7億公里的傳播后，由主星分光光路11接收。探測到的回光信號B，記為Sbb’，為圓偏振光，經(jīng)過四號擴(kuò)束準(zhǔn)直器27和三號四分之一波片28后變?yōu)镾光，又經(jīng)過一號反射鏡44、角錐反射鏡46和二號偏振分光鏡43后射向一號平衡光電探測單元1。
[0041] Sba’和Sbb’經(jīng)過平衡光電探測后產(chǎn)生反饋信號，該反饋信號在一號整形電路45中經(jīng)過濾波、放大和整形后進(jìn)入一號控制電路47。由一號控制電路47產(chǎn)生控制信號，對精密位移臺49的
位置進(jìn)行反饋控制，亦即對Sbb’的光程以亞
納米級分辨力進(jìn)行微調(diào)，進(jìn)而保證Sba’和Sbb’之間的脈沖時(shí)域互鎖。
[0042] e、當(dāng)強(qiáng)度為10-21的引力波信號以合適的角度掃過時(shí)，兩個測量臂一個伸長一個縮短，產(chǎn)生的位移差為亞納米量級。此時(shí)，Sba’和Sbb’的脈沖將在時(shí)域上產(chǎn)生偏差，該偏差由一號平衡光電探測單元1探測，進(jìn)而導(dǎo)致主控制電路47產(chǎn)生相應(yīng)的近似直流的反饋信號，控制光延遲線掃描單元12對Sbb’的光程進(jìn)行微調(diào)，使兩個脈沖序列重新鎖定，則精密位移臺49產(chǎn)生的位移量即為被測位移量：
[0043]
[0044] 其中，反饋
電壓U＝4μV，c為
真空中光速，反饋信號靈敏度k為3mV/fs，則探測到的位移ΔD為0.2nm。由于主星到從星A和從星B的距離基本相等，則由
原子鐘頻率不確定度引起的激光器脈沖周期誤差可以在極大程度上得以抵消，使得該方法的位移探測靈敏度可以達(dá)到亞納米
水平。
