Гравитационно-волновой детектор

Изобретение относится к лазерно-интерферометрическим гравитационно-волновым (ГВ) детекторам и может быть использовано для обнаружения низкочастотных периодических ГВ-сигналов от двойных релятивистских астрофизических объектов. Согласно изобретению в каждый резонатор двухрезонаторной лазерной системы с общей активной средой и геометрически неэквивалентными контурами введены термокомпенсаторы с использованием пьезоэлементов прямого и обратного преобразования, которые обеспечивают равенство оптических путей первого и второго резонаторов, которое могло нарушаться из-за изменения температуры. При этом обеспечивается компенсация температурных флуктуаций разности фаз оптических потоков, что позволяет уменьшить низкочастотные фазовые шумы. 1 ил.

 

Изобретение относится к лазерно-интерферометрическим гравитационно-волновым (ГВ) детекторам и может быть использовано в гравитационно-волновой астрономии, например, для обнаружения периодических низкочастотных гравитационно-волновых сигналов от двойных астрофизических объектов.

Известно, что существует теоретическое предсказание о формировании эластодинамического отклика веберовского детектора [1] и электродинамического отклика длиннобазовых [1] и компактных [2] лазерно-интерферометрических антенн на воздействие поля гравитационного излучения (ГИ). ГВ-антенны веберовского типа и длиннобазовые лазерно-интерферометрические антенны предназначены для обнаружения коротких импульсных ГВ-сигналов от вспышечных источников, пространственно-временные характеристики которых не известны, что уменьшает достоверность их обнаружения. Требуемое мгновенное отношение сигнал/шум для уверенного обнаружения ГВ-сигнала от вспышечного источника ГИ должно быть больше 13. Кроме того, существуют ГВ-детекторы [3, 4], принцип действия которых заключается в том, что в результате ГВ-воздействия детектируемого периодического низкочастотного ГВ-сигнала на оптическое излучение первого и второго оптических резонаторов (как бегущих, так и стоячих волн) через изменение их показателей преломления вдоль оптических путей распространения излучения происходит набег фаз в оптических излучениях по закону изменения ГВ-сигнала. В силу геометрической неэквивалентности первого и второго резонаторов это воздействие приводит к различным изменениям показателей преломления вдоль оптических путей распространения излучений, а следовательно, и к различным набегам фаз в этих оптических излучениях. По наличию, величине и закону изменения разности набегов фаз в оптических излучениях резонаторов и судят о воздействии ГВ-сигнала на оптические излучения резонаторов, а следовательно, о наличии (обнаружении) детектируемого ГВ-сигнала. Таким образом, указанные устройства [3, 4] имеют принципиальную возможность по обнаружению периодических низкочастных ГВ-сигналов от двойных релятивистских астрофизических объектов.

Известен [5] ГВ-детектор для обнаружения периодических ГВ-сигналов, который является наиболее близким к заявляемому объекту и поэтому выбран в качестве ПРОТОТИПА. Он представляет собой лазер с двумя геометрически неэквивалентными первым и вторым оптическими резонаторами стоячих волн. Первый резонатор образован частично пропускающим зеркалом, поляризационной разделительной призмой и первым глухим зеркалом, причем часть оптического пути резонатора от частично пропускающего зеркала до поляризационной разделительной призмы перпендикулярна оптическому пути от поляризационной разделительной призмы до первого глухого зеркала. Второй резонатор образован частично пропускающим зеркалом, поляризационной разделительной призмой и вторым глухим зеркалом. Оптические излучения, генерируемые в первом и втором резонаторах имеют взаимно ортогональные линейные поляризации. В силу пространственной и геометрической неэквивалентности первого и второго резонаторов ПРОТОТИПА принцип действия последнего аналогичен рассмотренным выше ГВ-детекторам [3, 4]. Выходящие через частично пропускающее зеркало излучения первого и второго резонаторов гетеродинируются с помощью поляризатора, имеющего плоскость пропускания, наклоненную под углом 45° к электрическим векторам генерируемых излучений. Сигнал биений регистрируется с помощью фотодетектора и поступает в блок обработки сигналов, предназначенного для выделения полезного сигнала из шумов.

Однако прототип имеет недостаточную помехозащищенность в условиях воздействия помех, обусловленных механическими перемещениями зеркал из-за температурных изменений размеров первого и второго резонаторов.

Задача, на решение которой направлено заявленное изобретение, заключается в разработке гравитационно-волнового детектора, позволяющего обнаруживать слабые ГВ-сигналы в условиях температурных изменений размеров резонаторов ГВ-детектора, приводящих к возникновению некореллированных низкочастотных фазовых шумов в оптических излучениях (период которых может быть сравним с периодом гравитационной волны, регистрируемой детектором) т.е. достигаемый изобретением технический результат - обеспечение необходимой помехозащищенности устройства.

Сущность изобретения заключается в том, что в известный гравитационно-волновой детектор, содержащий активный элемент и рабочую среду в нем, частично пропускающее зеркало, первое и второе глухие зеркала, поляризационную разделительную призму, поляризатор, фотоприемник с блоком обработки сигналов на его выходе, основание, например, ситалловое, с вырезами и углублениями в нем для крепления элементов устройства и прохождения оптического излучения, причем, размещенные на пути оптического излучения частично пропускающее зеркало, активный элемент, поляризационная разделительная призма и первое глухое зеркало образуют первый оптический резонатор стоячих волн, частично пропускающее зеркало, активный элемент, поляризационная разделительная призма и второе глухое зеркало образуют второй оптический резонатор стоячих волн, а оптические излучения обоих резонаторов на взаимно ортогональных линейных поляризациях с выхода частично пропускающего зеркала через поляризатор поступают на вход фотоприемника, кроме того, часть оптического пути первого резонатора от поляризационной разделительной призмы до первого глухого зеркала перпендикулярна оптическому пути второго резонатора от частично пропускающего зеркала до второго глухого зеркала, для решения поставленной задачи в него введены первый термокомпенсатор в составе отрезка первой металлической трубы, первого цилиндрического пьезоэлемента прямого эффекта с первым усилителем сигнала на его выходе и первого цилиндрического пьезоэлемента обратного эффекта, второй термокомпенсатор в составе отрезка второй металлической трубы, второго цилиндрического пьезоэлемента прямого эффекта со вторым усилителем сигнала на его выходе и второго цилиндрического пьезоэлемента обратного эффекта, причем отрезок первой металлической трубы одним концом упирается в ближайшую по отношению к поляризационной разделительной призме грань выреза, другим концом через первый цилиндрический пьезоэлемент прямого эффекта упирается в дальнюю грань выреза, а первый цилиндрический пьезоэлемент обратного эффекта размещен между первым глухим зеркалом и дальней гранью выреза, отрезок второй металлической трубы одним концом упирается в ближайшую по отношению к поляризационной разделительной призме грань выреза, другим концом через второй цилиндрический пьезоэлемент прямого эффекта упирается в дальнюю грань выреза, а второй цилиндрический пьезоэлемент обратного эффекта размещен между вторым глухим зеркалом и дальней гранью выреза, выход первого усилителя подключен к управляемому входу второго цилиндрического пьезоэлемента обратного эффекта, а выход второго усилителя подключен к управляемому входу первого цилиндрического пьезоэлемента обратного эффекта, причем оптические длины первого и второго резонаторов равны между собой, выходом заявляемого объекта является выход блока обработки сигналов.

Введение новых элементов: первого термокомпенсатора в составе отрезка первой металлической трубы, первого цилиндрического пьезоэлемента прямого эффекта, первого усилителя сигнала и первого цилиндрического пьезоэлемента обратного эффекта, второго термокомпенсатора в составе отрезка второй металлической трубы, второго цилиндрического пьезоэлемента прямого эффекта, второго усилителя сигнала и второго цилиндрического пьезоэлемента обратного эффекта, их взаимное расположение по отношению друг к другу, электрические связи между ними и равными между собой оптическими длинами первого и второго резонаторов, позволяют достичь решения поставленной задачи - обеспечения необходимой помехозащищенности устройства.

В известном техническом решении не предусмотрены меры по уменьшению некореллированных низкочастотных фазовых шумов, обусловленных температурными флуктуациями разности фаз оптических лучевых потоков, проходящих по разным плечам. Период этих флуктуации может быть сравним с периодом детектируемой гравитационной волны. В отличие от известного технического решения в заявляемом изобретении термокомпенсаторы обеспечивают взаимное выравнивание длин плеч интерферометра - геометрических длин первого и второго резонаторов, что приводит к компенсации температурных флуктуации разности фаз оптических лучевых потоков, а следовательно, и уменьшение низкочастотных фазовых шумов.

Таким образом, в заявляемом ГВ-детекторе на основе лазера с двумя геометрически или пространственно неэквивалентными резонаторами после введения в каждое плечо термокомпенсатора сохраняются одинаковыми длины плеч интерферометра - оптические длины первого и второго резонаторов независимо от изменений температуры, а следовательно, существенно уменьшаются помеховые составляющие на выходе фотоприемника.

Функциональная схема заявляемого устройства представлена на чертеже.

Активная среда 1, служащая для генерации лазерного излучения, расположена между частично пропускающим зеркалом 2 и поляризационной разделительной призмой (типа призмы Глана) 3. По ходу отраженного от поляризационной разделительной призмы 3 оптического излучения, исходящего из активной среды 1, расположено первое глухое зеркало 4. По ходу прошедшего через поляризационную разделительную призму 3 оптического излучения, исходящего из активной среды 1, расположено второе глухое зеркало 5. По ходу отраженного от второго глухого зеркала 5 оптического излучения, прошедшего через поляризационную разделительную призму 3, активную среду 1 и частично пропускающее зеркало 2, расположены последовательно поляризатор 6, фотоприемник 7 и блок обработки сигналов 8.

Первый термокомпенсатор образован отрезком первой металлической трубы 9, который с одной стороны упирается в ближайшую по отношению к поляризационной разделительной призме 3 грань выреза в ситалловой плите-основании 10, а с другой стороны примыкает к первому цилиндрическому пьезоэлементу 11 прямого эффекта. Коэффициент теплового расширения отрезка первой металлической трубы 9 выбирается много большим коэффициента теплового расширения ситалла. Пьезоэлемент 11 упирается в дальнюю по отношению к поляризационной разделительной призме 3 грань выреза в ситалловой плите-основании. Внутри пьезоэлемента 11 на дальней грани установлен первый цилиндрический пьезоэлемент 12 обратного эффекта, на котором закреплено первое глухое зеркало 4. В состав первого термокомпенсатора входит также регулируемый усилитель 13, сигнал с которого подается на второй цилиндрический пьезоэлемент 14 обратного эффекта, входящий в состав второго термокомпенсатора.

Второй термокомпенсатор имеет функциональную схему, аналогичную схеме первого термокомпенсатора, с той лишь разницей, что он образован отрезком второй металлической трубы 15, который с одной стороны упирается в ближайшую по отношению к поляризационной разделительной призме 3 грань выреза в ситалловой плите-основании 10, а с другой стороны примыкает ко второму цилиндрическому пьезоэлементу 16 прямого эффекта. Пьезоэлемент 16 упирается в дальнюю по отношению к поляризационной разделительной призме 3 грань в ситалловой плите-основании 10. Внутри пьезоэлемента 16 на дальней грани установлен второй цилиндрический пьезоэлемент 14 обратного эффекта, на котором закреплено второе глухое зеркало 5. В состав второго термокомпенсатора входит также регулируемый усилитель 17, сигнал с которого подается на первый цилиндрический пьезоэлемент 12 обратного эффекта, входящий в состав первого термокомпенсатора.

Устройство работает следующим образом. Оптическое излучение с полным набором поляризаций, выходя из активной среды 1, попадает на поляризационную разделительную призму 3. Часть оптического излучения с ТЕ-поляризацией зеркально отражается под прямым углом от элемента 3 и автоколлимационно отражается от первого глухого зеркала 4, после чего вновь зеркально отражается от элемента 3, проходит через активную среду 1 и автоколлимационно отражается от частично пропускающего зеркала 2, обеспечивая генерацию стоячей волны ТЕ-поляризации в первом резонаторе. Другая часть излучения с ТМ поляризацией после прохода через элемент 3 автоколлимационно отражается от второго глухого зеркала 5, после чего вновь проходит через элементы 3; 1 и автоколлимационно отражается от частично пропускающего зеркала 2, обеспечивая генерацию стоячей волны ТМ-поляризации во втором резонаторе. Благодаря поляризационной разделительной призме 3 происходит генерация оптических излучений на взаимно ортогональных линейных поляризациях в пространственно неэквивалентных первом и втором резонаторах. Оптические длины первого и второго резонаторов (длины плеч интерферометра) выравниваются с целью получения одинаковой частоты генерации ω₀ их излучений с ТЕ- и ТМ-поляризациями (работа в зоне захвата). Гравитационное излучение в силу пространственной неэквивалентности первого и второго резонаторов по разному воздействует на их частоты генерации. Согласно методике расчета собственных частот резонаторов в поле гравитационного излучения [3] разность частот генерации первого и второго резонаторов будет равна Δω_g=kω₀h, где h≈10^-22 - безразмерная амплитуда гравитационной волны, a k - коэффициент, принимающий значения от 1 до 2 в зависимости от отношения оптической длины между элементами 2 и 3 к оптической длине между элементами 3 и 5. В результате происходит индуцированное выделяемым ГВ-сигналом периодическое изменение разности фаз между оптическими излучениями первого и второго резонаторов. Выходящие с помощью частично пропускающего зеркала 2 излучения из первого и второго резонаторов после прохождения через поляризатор 6, у которого плоскость пропускания света образует угол 45° с плоскостью чертежа, на входе фотоприемника 7 создают интерференционное поле. Сигнал с фотоприемника 7 поступает в блок обработки сигналов 8, который служит для выделения полезного сигнала из шумов.

Термокомпенсаторы работают следующим образом. При увеличении температуры окружающей среды ситалловая плита-основание 10 расширяется и длина (геометрическая), например, плеча интерферометра, в котором установлен первый термокомпенсатор и глухое зеркало 4, начинает увеличиваться. Под действием температуры происходит и увеличение длины отрезка металлической трубы 9. Однако вследствие большего, чем у ситалла коэффициента теплового расширения, отрезок металлической трубы 9 увеличивается на большую величину и начинает оказывать механическое давление на первый пьезоэлемент 11 прямого эффекта. Под действием давления на обкладках пьезоэлемента 11 появляется электрическое напряжение, которое усиливается регулируемым усилителем 13 и подается в противофазе на второй пьезоэлемент 14 обратного эффекта. В результате длина второго пьезоэлемента 14 начинает уменьшаться, что, в свою очередь, приводит к увеличению длины плеча интерферометра, в котором установлено глухое зеркало 5, до значения, равного длине плеча с глухим зеркалом 4. Величина изменения длины плеча регулируется подбором коэффициента усиления регулируемого усилителя 13. Таким образом происходит выравнивание длин плеч интерферометра и, соответственно, выравнивание фаз оптических излучений в резонаторах, обусловленных изменением их геометрических длин. Второй термокомпенсатор работает аналогичным образом.

Оценим величину силы, действующей со стороны отрезка трубы на пьезоэлемент 11 прямого эффекта и разность потенциалов на электродах пьезоэлемента, выполненного в виде трубки, например, при увеличении температуры.

Введем обозначения.

ΔT - изменение температуры.

α₁, α₂ - коэффициенты температурного расширения основания (ситалла) 10 и отрезков металлических труб 9 и 15, причем α₁<α₂.

Е, F - модуль упругости и площадь поперечного сечения труб 3, 5.

l₁ - общая длина трубы 9 и пьезоэлемента 11.

l₂ - длина первого отрезка металлической трубы 9.

d₃₁ - пьезокерамический модуль в направлении действия силы на пьезоэлемент 11 со стороны отрезка трубы 9;

ε₀ - электрическая постоянная (диэлектрическая проницаемость вакуума). В международной системе единиц электрическая постоянная ε₀=8,85*10^-12 Ф/м.

ε₃₃ - относительная диэлектрическая проницаемость материала пьезоэлемента 11 в направлении действия силы;

D - внешний диаметр пьезоэлемента 11;

d - внутренний диаметр пьезоэлемента 11;

С - электрическая емкость трубчатого пьезоэлемента 11 с электродами, нанесенными на его внутреннюю и внешнюю стороны;

Q - заряд, возникающий на электродах пьезоэлемента 11 вследствие прямого пьезоэффекта.

U - разность потенциалов на электродах пьезоэлемента 11, обусловленная зарядом Q.

При изменении температуры на ΔT длина l₁ изменится на Δl₁=α₁l₁ΔT.

В результате изменения температуры на ΔT произойдет изменение отрезка металлической трубы 9 на Δl₂=α₂l₂ΔТ, если отрезок не будет ограничен пьезоэлементом 11.

Так как α₂l₂>α₁l₁, то в результате изменения температуры отрезок трубы 9 будет сжат на Δ=(α₂l₂-α₁l₁)ΔТ, что вызовет силу давления Р со стороны отрезка трубы 9 на основание 10 и пьезоэлемент 11 на величину

Данная формула справедлива в случае, если при расширении трубы ни пьезоэлемент, ни ситалловое основание не деформируются. В реальных с·лучаях деформации имеют место, поэтому значение Р должно быть меньше. Заряд на электродах пьезоэлемента 11, обусловленный силой давления Р со стороны отрезка трубы 9, дается выражением Q=d_31·P. Разность потенциалов на электродах, в свою очередь, определяется формулой U=Q/C, в которой электрическая емкость пьезоэлемента рассчитывается в соответствии с выражением C=2πε₀ε₃₃(l₁-l₂)/ln(D/d).

Для численной оценки силы давления Р и разности потенциалов на электродах U примем данные, представленные в [6] и [7]. В соответствии с ними будем считать, что отрезок трубы изготовлен из углеродистой стали марки ШХ15, имеющей коэффициент α₂=14·10^-6 К^-1; длина отрезка трубы l₂=200 мм; модуль упругости выбранной марки стали Е=210·10⁹ Па; площадь поперечного сечения трубы F=1,96·10^-4 м²; для ситалла марки СТЛ-6 коэффициент α₁=2,5·10^-7 К^-1. Изменение температуры ΔT=1°К. Общую длину отрезка трубы и пьезоэлемента примем равной l₁=230 мм. Примем также, что трубчатый пьезоэлемент 11 имеет внешний диаметр D=12 мм, внутренний диаметр - d=10 мм и изготовлен из пьезокерамики марки ЦТС-19, имеющей в соответствии с [7] пьезокерамический модуль d₃₁=160·10^-12 Кл/Н и относительную диэлектрическую проницаемость ε₃₃=1750.

В этом случае сила давления со стороны отрезка трубы на пьезоэлемент Р=261 Н, заряд на электродах пьезоэлемента достигает величины Q=4,17·10^-8 Кл, электрическая емкость пьезоэлемента 11 составляет С=1,6·10^-8 Ф, а разность потенциалов на электродах пьезоэлемента U=2,6 В. Напряжение, необходимое для управления пьезоэлементами обратного эффекта 12 и 14, изготовленными из пьезокерамики ЦТС-19, обычно составляет от 100 до 500 вольт. Поэтому коэффициент усиления усилителей 13 и 17, лежащий в диапазоне от 40 до 200, вполне достаточен для нормальной работы термокомпенсаторов, выравнивающих длины плеч интерферометра. Из вышеизложенного следует, что изменение температуры даже на 0,01 К приведет к разности потенциалов на электродах пьезоэлемента прямого эффекта величиной 26 мВ. Это также позволит системе управления выровнять длины плеч интерферометра, поскольку указанная разность потенциалов заведомо выше обычного уровня собственных шумов в электронном тракте управления термокомпенсаторами.

Таким образом, заявляемое устройство выгодно отличается от прототипа тем, что введенные в него элементы обеспечивают взаимное выравнивание длин плеч интерферометра - геометрических длин первого и второго резонаторов, что приводит к компенсации температурных флуктуаций разности фаз оптических лучевых потоков, а следовательно, и уменьшение низкочастотных фазовых шумов.

Источники информации

1. Милюков В.К., Руденко В.Н. // Итоги науки и техники ВИНИТИ АН СССР, серия Астрономия, 1991, т.41, с.147-193.

2. Балакин А.Б., Кисунько Г.В., Мурзаханов З.Г., Русяев Н.Н. // ДАН СССР, 1991, т.316, №5, с.1122-1125.

3. Balakin А.В., Murzakhanov Z.G., Skochilov A.F. // Gravitation & Cosmology, 1997, vol.3, N1(9), pp.71-81.

4. Балакин А.Б., Кисунько Г.В., Мурзаханов З.Г., Скочилов А.Ф. // ДАН России, 1998, т.361, №4, с.477-480.

5. Scully M.O. and Gea-Banacloche J. // Phys. Rev., 1986, A 34, pp.4043-4054 (ПРОТОТИП).

6. Физические величины: Справочник. Под ред. Григорьева И.С., Мейлихова Е.З. М.: Энергоатомиздат, 1991, 1232 с.

7. "ЭЛПА" Изделия акустоэлектроники и пьезокерамики. / Под ред Парфенова Б.Г., Зеленоград, РИА "Деловой мир", 1992 г., 167 с.

Гравитационно-волновой детектор, содержащий активный элемент и рабочую среду в нем, частично пропускающее зеркало, первое и второе глухие зеркала, поляризационную разделительную призму, поляризатор, фотоприемник с блоком обработки сигналов на его выходе, основание, например, ситалловое, с вырезами и углублениями в нем для крепления элементов устройства и прохождения оптического излучения, причем размещенные на пути оптического излучения частично пропускающее зеркало, активный элемент, поляризационная разделительная призма и первое глухое зеркало образуют первый оптический резонатор стоячих волн, частично пропускающее зеркало, активный элемент, поляризационная разделительная призма и второе глухое зеркало образуют второй оптический резонатор стоячих волн, а оптические излучения обоих резонаторов на взаимно ортогональных линейных поляризациях с выхода частично пропускающего зеркала через поляризатор поступают на вход фотоприемника, кроме того, часть оптического пути первого резонатора от поляризационной разделительной призмы до первого глухого зеркала перпендикулярна оптическому пути второго резонатора от частично пропускающего зеркала до второго глухого зеркала, отличающийся тем, что в него введены первый термокомпенсатор в составе отрезка первой металлической трубы, первого цилиндрического пьезоэлемента прямого эффекта с первым усилителем сигнала на его выходе и первого цилиндрического пьезоэлемента прямого эффекта с первым усилителем сигнала на его выходе и первого цилиндрического пьезоэлемента обратного эффекта, второй термокомпенсатор в составе отрезка второй металлической трубы, второго цилиндрического пьезоэлемента прямого эффекта со вторым усилителем сигнала на его выходе и второго цилиндрического пьезоэлемента обратного эффекта, причем отрезок первой металлической трубы одним концом упирается в ближайшую по отношению к поляризационной разделительной призме грань выреза, другим концом через первый цилиндрический пьезоэлемент прямого эффекта упирается в дальнюю грань выреза, а первый цилиндрический пьезоэлемент обратного эффекта размещен между первым глухим зеркалом и дальней гранью выреза, отрезок второй металлической трубы одним концом упирается в ближайшую по отношению к поляризационной разделительной призме грань выреза, другим концом через второй цилиндрический пьезоэлемент прямого эффекта упирается в дальнюю грань выреза, а второй цилиндрический пьезоэлемент обратного эффекта размещен между вторым глухим зеркалом и дальней гранью выреза, выход первого усилителя подключен к управляемому входу второго цилиндрического пьезоэлемента обратного эффекта, а выход второго усилителя подключен к управляемому входу первого цилиндрического пьезоэлемента обратного эффекта, причем оптические длины первого и второго резонаторов равны между собой, выходом заявляемого объекта является выход блока обработки сигналов.