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，JournalofGeodynamics第34卷第三期发表文章《Asynchronouslasertranspondersforpreciseinterplanetaryrangingandtimetransfer》；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，PhysicalReviewD第67卷第12期发表文章《Implementationoftime-delayinterferometryforLISA》；又如2012年，JournalofGeodesy第86卷第12期发表文章《IntersatellitelaserranginginstrumentfortheGRACEfollow-onmission》，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。近年来，随着飞秒激光技术的发展，飞秒脉冲测距方法逐渐进入了人们的视野。其主要优势在于脉冲能量非常集中，可以在瞬间达到极高的峰值功率。相比于干涉测量和双向干涉测量等连续波测量方法，在相同的激光器平均功率下，系统回光功率可以提高多个甚至十余个量级，因而更适合于超远距离测量。此外，基于飞秒激光的测距方法相比于传统脉冲测距方法而言，可以达到更高的精度。在飞秒激光测距领域，如2010年，NaturePhotonics第4卷第10期发表文章《Time-of-flightmeasurementwithfemtosecondlightpulses》；又如2012年，物理学报第61卷第24期发表文章《基于飞秒激光平衡光学互相关的任意长绝对距离测量》，均提出一种针对飞秒脉冲的平衡光学互相关方法，通过测量脉冲和参考脉冲之间的时域锁定，实现了纳米量级的测距精度。但在超远距离测量中，该方法尚不足以满足深空引力波探测任务的测程需求，且随着被测距离的增大，其测量误差线性增大，无法满足空间引力波探测任务的精度需求。此外，在超远距离测量中，由于测量光的往返时间很长，极大地影响了测量系统的动态特性，使得该方法只能测量静态目标，无法完成动态测量。综上所述，目前在引力波探测领域缺少一种基于飞秒激光的外太阳系尺度超远距离高精度位移探测装置。
技术实现要素：
本发明针对上述装置精度较低、测程有待进一步提高、不能测量动态目标以及距离遥远的测量端之间难以实现实时通信和高精度时钟同步等问题，提出并设计了一种中继式飞秒脉冲高精度位移探测装置。采用了脉冲时域锁定式中继测量结构，实现了外太阳系尺度的超远距离动态位移探测，探测灵敏度可以达到亚纳米量级，同时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。本发明的目的通过以下技术方案实现：一种中继式飞秒脉冲高精度位移探测装置，包含测量端、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，构成了脉冲时域锁定式中继测量结构；所述测量端的输出光指向一号飞秒锁相中继器的输入端，一号飞秒锁相中继器的输出光指向二号飞秒锁相中继器的输入端，二号飞秒锁相中继器的输出光指向三号飞秒锁相中继器的输入端，三号飞秒锁相中继器的输出光指向测量端。所述测量端的结构是：本地飞秒激光器发出的激光经过一号四分之一波片和一号偏振分光镜后分为两束；其中一束透射光经过二号四分之一波片和一号扩束准直器后射向一号飞秒锁相中继器；另一束反射光经过十三号四分之一波片和直角棱镜反射镜后射向一号角锥反射镜，被反射后又经过直角棱镜反射镜、二号角锥反射镜、十三号四分之一波片、一号偏振分光镜、二分之一波片和二号偏振分光镜射向本地平衡光电探测单元；同时，从三号飞秒锁相中继器发射过来的激光经过二号扩束准直器、十二号四分之一波片和二号偏振分光镜后也射向本地平衡光电探测单元；一号角锥反射镜固定在精密位移台上，精密位移台位于精密直线导轨上；本地平衡光电探测单元的输出端连接到本地控制单元的输入端，本地控制单元的输出端连接到精密位移台。所述一号飞秒锁相中继器的结构是：一号飞秒激光器发出的激光经过四号四分之一波片和三号偏振分光镜后分为两束；其中一束透射光经过五号四分之一波片和四号扩束准直器后射向二号飞秒锁相中继器，另一束反射光直接射向一号平衡光电探测单元；同时，从测量端发射过来的激光经过三号扩束准直器、三号四分之一波片、一号反射镜和三号偏振分光镜后也射向一号平衡光电探测单元；一号平衡光电探测单元的输出端连接到一号控制单元的输入端，一号控制单元的输出端连接到一号飞秒激光器。所述二号飞秒锁相中继器的结构是：二号飞秒激光器发出的激光经过七号四分之一波片和五号偏振分光镜后分为两束；其中一束透射光经过八号四分之一波片和六号扩束准直器后射向三号飞秒锁相中继器，另一束反射光经过四号偏振分光镜后射向二号平衡光电探测单元；同时，从一号飞秒锁相中继器发射过来的激光经过五号扩束准直器、六号四分之一波片和四号偏振分光镜后也射向二号平衡光电探测单元；二号平衡光电探测单元的输出端连接到二号控制单元的输入端，二号控制单元的输出端连接到二号飞秒激光器。所述三号飞秒锁相中继器的结构是：三号飞秒激光器发出的激光经过十号四分之一波片和六号偏振分光镜后分为两束；其中一束透射光经过十一号四分之一波片和八号扩束准直器后射向测量端，另一束反射光直接射向三号平衡光电探测单元；同时，从二号飞秒锁相中继器发射过来的激光经过七号扩束准直器、九号四分之一波片、二号反射镜和六号偏振分光镜后也射向三号平衡光电探测单元；三号平衡光电探测单元的输出端连接到三号控制单元的输入端，三号控制单元的输出端连接到三号飞秒激光器。本发明具有以下特点及有益效果：(1)采用了脉冲时域锁定式中继测量结构，通过多个飞秒锁相中继器的级联对测量光的光功率进行放大，将系统回光功率由距离的四次方衰减函数变为了平方衰减函数，通过光延迟线扫描对参考信号光程进行反馈控制，实现了外太阳系尺度的超远距离动态位移探测，探测灵敏度可以达到亚纳米量级。(2)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。附图说明图1为本发明的总体配置结构示意图。图2为本发明的装置结构示意图。图中件号说明：1测量端、2一号飞秒锁相中继器、3二号飞秒锁相中继器、4三号飞秒锁相中继器、5精密直线导轨、6精密位移台、7二号角锥反射镜、8直角棱镜反射镜、9十三号四分之一波片、10一号偏振分光镜、11二号四分之一波片、12三号扩束准直器、13三号四分之一波片、14一号飞秒激光器、15一号控制单元、16四号四分之一波片、17三号偏振分光镜、18一号平衡光电探测单元、19五号四分之一波片、20四号扩束准直器、21五号扩束准直器、22六号四分之一波片、23四号偏振分光镜、24二号平衡光电探测单元、25二号控制单元、26二号飞秒激光器、27七号四分之一波片、28五号偏振分光镜、29八号四分之一波片、30六号扩束准直器、31七号扩束准直器、32九号四分之一波片、33三号飞秒激光器、34三号控制单元、35十号四分之一波片、36六号偏振分光镜、37三号平衡光电探测单元、38十一号四分之一波片、39八号扩束准直器、40二号扩束准直器、41十二号四分之一波片、42二号偏振分光镜、43本地平衡光电探测单元、44本地控制单元、45一号角锥反射镜、46本地飞秒激光器、47一号四分之一波片、48二分之一波片、49一号扩束准直器、50二号反射镜、52一号反射镜。具体实施方式下面结合附图对本发明实施例进行详细描述。本实施例的中继式飞秒脉冲高精度位移探测装置，图1为其总体配置结构示意图，图2为其装置结构示意图，该装置包含测量端1、一号飞秒锁相中继器2、二号飞秒锁相中继器3和三号飞秒锁相中继器4，构成了脉冲时域锁定式中继测量结构；所述测量端1的输出光指向一号飞秒锁相中继器2的输入端，一号飞秒锁相中继器2的输出光指向二号飞秒锁相中继器3的输入端，二号飞秒锁相中继器3的输出光指向三号飞秒锁相中继器4的输入端，三号飞秒锁相中继器4的输出光指向测量端1。在所述测量端1中：本地飞秒激光器46发出的线偏振光经过一号四分之一波片47后变为圆偏振光，其波长λ为1550nm；脉冲重复频率f为100MHz；脉冲周期T为10-8s；脉冲宽度w为10fs。该光束经过一号偏振分光镜10后分为两束；被透射的P光作为测量信号A，记为Sma，经过二号四分之一波片11后变为圆偏振光，又经过一号扩束准直器49的扩束准直后射向一号飞秒锁相中继器2；被反射的S光作为本地参考信号，记为Sr，经过十三号四分之一波片9后变为圆偏振光，又经直角棱镜反射镜8反射至一号角锥反射镜45，再次被反射后又经过直角棱镜反射镜8、二号角锥反射镜7和十三号四分之一波片9后变为P光，又经过一号偏振分光镜10和二分之一波片48后变为S光，最后经过二号偏振分光镜42射向本地平衡光电探测单元43；同时，从三号飞秒锁相中继器4发射过来的圆偏振光作为回光信号，记为Sb，经过二号扩束准直器40和十二号四分之一波片41后变为P光，又经过二号偏振分光镜42后也射向本地平衡光电探测单元43；一号角锥反射镜45固定在精密位移台49上，精密位移台49位于精密直线导轨5上；本地平衡光电探测单元43产生的反馈信号输出至本地控制单元44，本地控制单元44产生的控制信号输出至精密位移台6，通过控制其位移，以光延迟线扫描的方式对回光信号的光程进行反馈控制，使得Sr和Sb，亦即Sma和Sb的脉冲在时域上精确重叠并互锁。在所述一号飞秒锁相中继器2中：一号飞秒激光器14发出的线偏振光经过四号四分之一波片16后变为圆偏振光，其波长λ1为1550nm；脉冲重复频率f1约100MHz；脉冲周期T1约10-8s；脉冲宽度w1为10fs。该光束经过三号偏振分光镜17后分为两束；被透射的P光作为测量信号B，记为Smb，经过五号四分之一波片19后变为圆偏振光，又经过四号扩束准直器20的扩束准直后射向二号飞秒锁相中继器3；被反射的S光作为参考信号A，记为Sra，直接射向一号平衡光电探测单元18；同时，从测量端1发射过来的圆偏振光Sma经过三号扩束准直器12和三号四分之一波片13后变为P光，又经过一号反射镜51和三号偏振分光镜17后也射向一号平衡光电探测单元18；一号平衡光电探测单元18产生的反馈信号输出至一号控制单元15，一号控制单元15产生的控制信号输出至一号飞秒激光器14，对其脉冲重复频率f1进行反馈控制，使得Sma和Sra，亦即Sma和Smb的脉冲在时域上精确重叠并互锁。在所述二号飞秒锁相中继器3中：二号飞秒激光器26发出的线偏振光经过七号四分之一波片27后变为圆偏振光，其波长λ2为1550nm；脉冲重复频率f2约100MHz；脉冲周期T2约10-8s；脉冲宽度w2为10fs。该光束经过五号偏振分光镜28后分为两束；被透射的P光作为测量信号C，记为Smc，经过八号四分之一波片29后变为圆偏振光，又经过六号扩束准直器30的扩束准直后射向三号飞秒锁相中继器4；被反射的S光作为参考信号B，记为Srb，经过四号偏振分光镜23后射向二号平衡光电探测单元24；同时，从一号飞秒锁相中继器2发射过来的圆偏振光Smb经过五号扩束准直器21和六号四分之一波片22后变为P光，又经过四号偏振分光镜23后也射向二号平衡光电探测单元24；二号平衡光电探测单元24产生的反馈信号输出至二号控制单元25，二号控制单元25产生的控制信号输出至二号飞秒激光器26，对其脉冲重复频率f2进行反馈控制，使得Smb和Srb，亦即Smb和Smc的脉冲在时域上精确重叠并互锁。在所述三号飞秒锁相中继器4中：三号飞秒激光器33发出的线偏振光经过十号四分之一波片35后变为圆偏振光，其波长λ3为1550nm；脉冲重复频率f3约100MHz；脉冲周期T3约10-8s；脉冲宽度w3为10fs。该光束经过六号偏振分光镜36后分为两束；被透射的P光作为回光信号，记为Sb，经过十一号四分之一波片38后变为圆偏振光，又经过八号扩束准直器39的扩束准直后射向测量端1；被反射的S光作为参考信号C，记为Src，直接射向三号平衡光电探测单元37；同时，从二号飞秒锁相中继器3发射过来的圆偏振光Smc经过七号扩束准直器31和九号四分之一波片32后变为P光，又经过二号反射镜50和六号偏振分光镜36后也射向三号平衡光电探测单元37；三号平衡光电探测单元37产生的反馈信号输出至三号控制单元34，三号控制单元34产生的控制信号输出至三号飞秒激光器33，对其脉冲重复频率f3进行反馈控制，使得Smc和Src，亦即Smc和Sb的脉冲在时域上精确重叠并互锁。当Sb和Sr已经锁定后，若测量端1和二号飞秒锁相中继器3之间产生相对位移ΔD，将导致测量端1中Sb和Sr在时域上产生偏差；本地控制单元44产生近似直流的控制信号，控制精密位移台6改变参考信号光程，直至Sb和Sr的脉冲序列重新锁定，则精密位移台6产生的位移量即为被测位移量：ΔD=Uc2k---(1)]]>其中，反馈电压U＝2.05mV，c为真空中光速，反馈信号灵敏度k为3mV/fs，则探测到的位移ΔD为102.5nm，其阿伦方差在亚纳米水平。