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欧空局完成“激光干涉空间天线?#20445;↙ISA)地面测试平台的建造工作

发布:HPLSElaser    |    2019-03-10 23:57    阅读:694
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由德国马克斯普朗克研究所的团队设计的超稳定光学平台用于校准激光干涉空间天线(LISA)任务的相位计,通过三个激光束的干涉使测量精度达到皮米级。?#35745;?#26469;源:D.Penkert / 德国马克斯普朗克重力物理研究所。

激光干涉空间天线任务是一项雄心勃勃的引力波探测计划,计划于2034年发射,通过一个巨大的基于空间的激光干涉仪测量引力波,该任务将需要探测在相距数百万公里的宇宙飞船之间几皮米的距离变化量。如何测量和确认天线的公差已经成为了一个重要的问题。德国马克斯普朗克引力物理研究所的科学家们现在已经建造了一个超稳定的光学平台,他们表示该平台可以作为地基测试平台来解决空间天线的部分验证问题。在相位噪声的三激光干涉测试中,该测试平台拥有“皮米级”的稳定性,并且能够在?#35748;?#26377;技术水平的测试平台更好地验证设备的精度。该研究团队总结称,天基系统的关键部分能够在地球上的实验室进行测试。

像激光干涉引力波天文台(LIGO)和处女座引力波探测器(Virgo)一样,激光干涉仪空间天线(LISA)将通过感应多个固定激光束长度的极小的变化量来探测引力波,因为引力波会随着时间的推移而受到干扰并扰乱时空结构。这项由欧洲航天局(ESA)领导的任务将由三个航天器组成,这些航天器被?#25165;?#22312;太空中等边三角形的顶点,三角形的每一边都有250万公里长。这三个航天器将位于L1拉格朗日点,这是地球与太阳之间的一个重力中点,距离地球?#23478;?#30334;万公里。


激光干涉仪空间天线(LISA)的卫星假想图。?#35745;?#26469;源:AEI / Milde Marketing / Exozet。

在激光干涉仪空间天线(LISA)配备的设备中,稳定性极好的1064nm激光器将在这个巨大的空间三角形的顶点之间发射激光,并从航天器中?#26434;?#33853;下的金涂层测试质量反射。通过地面上的数字“虚拟”迈克尔逊干涉仪中的外差干涉测量法检测到的不同航天器中的测试质量之间的行程时间测量值的变化将表示存在引力波。以前基于太空的试验工作,即2015-2017年进行的激光干涉仪空间天线的探路者任务,已经证明了将?#26434;?#33853;体测试放入太?#23637;?#36947;并测?#31185;?#30456;对运动的能力。这一成功为激光干涉仪空间天线本身建立了下一阶段的硬件和技术开发。

由于其巨大的覆盖?#27573;В?#28608;光干涉仪空间天线(LISA)应该能够探测100μHz-1 Hz之间频?#23454;?#24341;力波,这是地球探测器无法进入的频段,可以为“宇宙黑暗时代,即大爆炸后不到1.5亿年的高能事件打开研究的窗口”。?#27426;?#20026;了进行这些测量,激光干涉仪空间天线(LISA)需要能够以皮米级精度来获取长度变化(更准确地说,是测量干涉信号中的相位变化)。反过来,这将需要一个可以消除激光频率噪声、多普勒频移?#25512;?#20182;噪声源的相位计,以在测量的相位变化中提取精密的位移信号,这样的相位计是根据欧空局的合同开发的。由Gerhard Heinze领导的德国马克斯普朗克研究团队开始努力通过构建一个精确且非常稳定的平台来完成这个目标。该平台是一个光学平台,由一个由德国肖特公司的微晶玻璃制成的厚底板组成,其上安装有三个光纤注入器,以提供来自三个相干1064nm激光器的光。

其中,六个楔形分束器以六边形的图案排列,使得光束配置成三个独立的干涉仪配置;反射回来的干涉仪信号被组合,数字控?#33529;?#36335;允许以激光干涉仪空间天线(LISA)设想的5-25Hz频?#23454;?#22806;差拍频信号。输出信号通过光接收器捕获,光接收器由砷化铟镓光电二极管和放大器组成,它们将拍频信?#27431;?#36865;到相位计进行解释。整个装置位于真空室中,压力保持在10毫巴以下。该团队将此与为欧空局任务开发的相位计相关联。研究人员发现,他们的光学平台“能够提供足够的稳定性,低至类似激光干涉仪空间天线(LISA)的皮米级精度”,并且能够使用该精度来进行相位计的基准测试,“具有类似激光干涉仪空间天线(LISA)的动态?#27573;?#21644;外差频率。”团队认为它通过改进的光电探测器,可以进一步降低测试台的噪声,从而提高测量精度。

?#35789;?#29616;在,研究人?#27604;?#28982;坚持认为,他们的测试平台能够比其他系统更精确地测量精度,他们相信该平台能够扩展到测量激光干涉仪空间天线(LISA)的其他关键组件。“正确地了解激光干涉仪空间天线(LISA)任务的所有细节并在实验室中提前测试它们至关重要,”团队负责人Heinzel在新闻稿中指出,“只有这样,我们才能确保复杂的任务能按计划运作。一旦卫星开始绕太阳运行,我们就无法再?#26434;?#20214;做任何修改了。”

原文链接

本文受译者委?#26657;?#20139;有该文的专有出版权,其他出版单位或网站如需转载,请与本站联系,联系email:mail#opticsjournal.net。(为防止垃圾邮件,请将#换为@)否则,本站将保留进一步采取法律手段的权利。

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