基于双向飞秒脉冲的深空引力波探测方法及装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于引力波探测领域，主要涉及一种基于飞秒激光的太阳系尺度深空引力 波探测方法及装置。
【背景技术】
[0002] 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。
[0003] 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LIG0、德国的GE0600、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NG0等空间引力波探测器，测程可达数百万公里冲国 和欧洲合作的ASTR0D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。
[0004] 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1/10 1()，ASTR0D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。
[0005] 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 and time 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。
[0006] 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 of Geodesy第86卷第12期发表文章 〈〈Intersatellite laser ranging instrument for the GRACE 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ASTR0D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。
[0007] 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。
[0008] 在飞秒激光测距领域，如2010年，Nature Photonics第4卷第10期发表文章《111116-of-flight measurement with femtosecond light pulses》；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，无法实现位移探测。
[0009] 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太阳系尺度深空引力 波探测方法及装置。
【发明内容】
[0010] 本发明针对上述引力波探测和远距离激光测量方法及装置探测灵敏度较低、测程 有待进一步提高、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，提出并设计了一种基于双向飞秒脉冲的深空引力波探测方法及装置。利用三颗卫星在 太阳系轨道上构成了等臂长差动探测结构，两个测量臂均采用了脉冲时域锁定式双向测量 结构，实现了上亿公里尺度的深空引力波探测，探测灵敏度可以达到亚纳米量级，同时避免 了相距遥远的卫星之间的实时通信和高精度时钟同步问题。
[0011] 本发明的目的通过以下技术方案实现：
[0012] -种双向飞秒脉冲高精度位移探测方法，该方法步骤如下：
[0013] a、将主星、从星A和从星B按照预设轨道发射，三颗卫星均匀分布在太阳系轨道上， 构成边长约为2.7亿公里的等边三角形；主星分别与从星A和从星B构成两个等臂长的测量 臂，对两个臂长的相对变化进行精密探测；
[0014] b、在位于主星的测量端中，一号飞秒激光器发出的飞秒激光脉冲序列经过一号分 光光路后分为两束;第一束作为测量信号A发射向遥远的从星A，第二束作为测量信号B发射 向遥远的从星B;
[0015] c、在位于从星A的一号主动反射器中，二号飞秒激光器发出的飞秒激光脉冲序列 经过二号分光光路后分为两束;其中一束作为回光信号A发射回遥远的主星，另一束作为参 考信号A与探测到的测量信号A-同由二号平衡光电探测单元进行探测;对参考信号A与探 测到的测量信号A进行平衡光电探测后产生反馈信号，进而对二号飞秒激光器的腔长进行 反馈控制，通过改变其脉冲重复频率，实现参考信号A与探测到的测量信号A的高精度脉冲 时域互锁；同时，在位于从星B的二号主动反射器中，三号飞秒激光器发出的飞秒激光脉冲 序列经过三号分光光路后分为两束;其中一束作为回光信号B发射回遥远的主星，另一束作 为参考信号B与探测到的测量信号B-同由三号平衡光电探测单元进行探测;对参考信号B 与探测到的测量信号B进行平衡光电探测后产生反馈信号，进而对三号飞秒激光器的腔长 进行反馈控制，通过改变其脉冲重复频率，实现参考信号B与探测到的测量信号B的高精度 脉冲时域互锁；
[0016] d、在位于主星的测量端中，探测到的回光信号A和回光信号B-同由一号平衡光电 探测单元进行探测；对回光信号A和回光信号B进行平衡光电探测后产生反馈信号，通过光 延迟线扫描的方式对回光信号B的光程进行反馈控制，实现回光信号A和回光信号B的高精 度脉冲时域互锁；
[0017] e、当引力波以合适的角度扫过时，两个测量臂都将产生极为微小的反向位移，导 致回光信号A和回光信号B在时域上产生偏差;一号控制单元控制光延迟线扫描单元改变回 光信号B的光程，使得回光信号A和回光信号B的脉冲序列重新锁定，则精密位移台产生的位 移量即为两个测量臂产生的位移之差，亦即目标引力波信号。
[0018] -种基于双向飞秒脉冲的深空引力波探测装置，其测量端包括一号飞秒激光器、 一号分光光路、一号平衡光电探测单元、一号控制单元和光延迟线扫描单元;在两个被测端 分别设置了一号主动反射器和二号主动反射器，构成对引力波信号的等臂长差动探测结 构，两个等长的测量臂均采用了脉冲时域锁定式双向测量结构;所述一号主动反射器由二 号飞秒激光器、二号分光光路、二号平衡光电探测单元和二号控制单元组成;二号飞秒激光 器的输出光指向二号分光光路;二号分光光路的输出光分别指向测量端和二号平衡光电探 测单元的输入端;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;所述二号主动反射器由三号飞秒激光器、三号分 光光路、三号平衡光电探测单元和三号控制单元组成;三号飞秒激光器的输出光指向三号 分光光路;三号分光光路的输出光分别指向测量端和三号平衡光电探测单元的输入端;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。
[0019] 所述一号分光光路的结构是:一号飞秒