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歐空局完成“激光干涉空間天線”(LISA)地面測試平臺的建造工作

發布:HPLSElaser    |    2019-03-10 23:57    閱讀:337
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由德國馬克斯普朗克研究所的團隊設計的超穩定光學平臺用于校準激光干涉空間天線(LISA)任務的相位計,通過三個激光束的干涉使測量精度達到皮米級。圖片來源:D.Penkert / 德國馬克斯普朗克重力物理研究所。

激光干涉空間天線任務是一項雄心勃勃的引力波探測計劃,計劃于2034年發射,通過一個巨大的基于空間的激光干涉儀測量引力波,該任務將需要探測在相距數百萬公里的宇宙飛船之間幾皮米的距離變化量。如何測量和確認天線的公差已經成為了一個重要的問題。德國馬克斯普朗克引力物理研究所的科學家們現在已經建造了一個超穩定的光學平臺,他們表示該平臺可以作為地基測試平臺來解決空間天線的部分驗證問題。在相位噪聲的三激光干涉測試中,該測試平臺擁有“皮米級”的穩定性,并且能夠在比現有技術水平的測試平臺更好地驗證設備的精度。該研究團隊總結稱,天基系統的關鍵部分能夠在地球上的實驗室進行測試。

像激光干涉引力波天文臺(LIGO)和處女座引力波探測器(Virgo)一樣,激光干涉儀空間天線(LISA)將通過感應多個固定激光束長度的極小的變化量來探測引力波,因為引力波會隨著時間的推移而受到干擾并擾亂時空結構。這項由歐洲航天局(ESA)領導的任務將由三個航天器組成,這些航天器被安排在太空中等邊三角形的頂點,三角形的每一邊都有250萬公里長。這三個航天器將位于L1拉格朗日點,這是地球與太陽之間的一個重力中點,距離地球約一百萬公里。


激光干涉儀空間天線(LISA)的衛星假想圖。圖片來源:AEI / Milde Marketing / Exozet。

在激光干涉儀空間天線(LISA)配備的設備中,穩定性極好的1064nm激光器將在這個巨大的空間三角形的頂點之間發射激光,并從航天器中自由落下的金涂層測試質量反射。通過地面上的數字“虛擬”邁克爾遜干涉儀中的外差干涉測量法檢測到的不同航天器中的測試質量之間的行程時間測量值的變化將表示存在引力波。以前基于太空的試驗工作,即2015-2017年進行的激光干涉儀空間天線的探路者任務,已經證明了將自由落體測試放入太空軌道并測量其相對運動的能力。這一成功為激光干涉儀空間天線本身建立了下一階段的硬件和技術開發。

由于其巨大的覆蓋范圍,激光干涉儀空間天線(LISA)應該能夠探測100μHz-1 Hz之間頻率的引力波,這是地球探測器無法進入的頻段,可以為“宇宙黑暗時代,即大爆炸后不到1.5億年的高能事件打開研究的窗口”。然而,為了進行這些測量,激光干涉儀空間天線(LISA)需要能夠以皮米級精度來獲取長度變化(更準確地說,是測量干涉信號中的相位變化)。反過來,這將需要一個可以消除激光頻率噪聲、多普勒頻移和其他噪聲源的相位計,以在測量的相位變化中提取精密的位移信號,這樣的相位計是根據歐空局的合同開發的。由Gerhard Heinze領導的德國馬克斯普朗克研究團隊開始努力通過構建一個精確且非常穩定的平臺來完成這個目標。該平臺是一個光學平臺,由一個由德國肖特公司的微晶玻璃制成的厚底板組成,其上安裝有三個光纖注入器,以提供來自三個相干1064nm激光器的光。

其中,六個楔形分束器以六邊形的圖案排列,使得光束配置成三個獨立的干涉儀配置;反射回來的干涉儀信號被組合,數字控制環路允許以激光干涉儀空間天線(LISA)設想的5-25Hz頻率的外差拍頻信號。輸出信號通過光接收器捕獲,光接收器由砷化銦鎵光電二極管和放大器組成,它們將拍頻信號發送到相位計進行解釋。整個裝置位于真空室中,壓力保持在10毫巴以下。該團隊將此與為歐空局任務開發的相位計相關聯。研究人員發現,他們的光學平臺“能夠提供足夠的穩定性,低至類似激光干涉儀空間天線(LISA)的皮米級精度”,并且能夠使用該精度來進行相位計的基準測試,“具有類似激光干涉儀空間天線(LISA)的動態范圍和外差頻率。”團隊認為它通過改進的光電探測器,可以進一步降低測試臺的噪聲,從而提高測量精度。

即使現在,研究人員仍然堅持認為,他們的測試平臺能夠比其他系統更精確地測量精度,他們相信該平臺能夠擴展到測量激光干涉儀空間天線(LISA)的其他關鍵組件。“正確地了解激光干涉儀空間天線(LISA)任務的所有細節并在實驗室中提前測試它們至關重要,”團隊負責人Heinzel在新聞稿中指出,“只有這樣,我們才能確保復雜的任務能按計劃運作。一旦衛星開始繞太陽運行,我們就無法再對硬件做任何修改了。”

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