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. Сущность изобретения заключается в том, что в каждый резонатор двухрезонаторной лазерной системы с общей активной средой и геометрически неэквивалентными контурами введены: первый и второй корректоры оптической длины, первый и второй пьезоэлементы обратного эффекта, первый и второй усилители, первый и второй пьезоэлементы прямого эффекта. Эти элементы, связанные надлежащим образом, обеспечивают взаимное выравнивание геометрических длин первого и второго резонаторов, что приводит к компенсации температурных флуктуаций разности фаз оптических лучевых потоков. При этом обеспечивается уменьшение некоррелированных низкочастотных фазовых шумов в оптических излучениях. 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 низкочастотных 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, предназначенный 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 заявляемое 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 и второй корректоры оптической длины, первый и второй пьезоэлементы обратного эффекта, первый и второй усилители, первый и второй пьезоэлементы прямого эффекта, а вырезы для крепления первого и второго пьезоэлементов прямого эффекта имеют трапецеидальную форму, причем первый пьезоэлемент прямого эффекта параллельными гранями касается обратной стороны первого глухого зеркала и параллельной стороны выреза, а непараллельные стороны первого элемента прямого эффекта зажаты боковыми сторонами выреза, выход же первого пьезоэлемента прямого эффекта через первый усилитель и первый пьезоэлемент обратного эффекта подключен к входу второго корректора оптической длины, размещенного на пути оптического излучения второго оптического резонатора, а второй пьезоэлемент прямого эффекта параллельными гранями касается обратной стороны второго глухого зеркала и параллельной стороны другого выреза, а непараллельные стороны второго пьезоэлемента прямого эффекта зажаты боковыми сторонами этого выреза, выход же второго пьезоэлемента обратного эффекта через второй усилитель и второй пьезоэлемент обратного эффекта подключен к входу первого корректора оптической длины, размещенного на пути оптического излучения первого оптического резонатора, выходом же заявляемого устройства является выход блока обработки сигналов.

Введение новых элементов: первого и второго корректоров оптической длины, первого и второго пьезоэлементов обратного эффекта, первого и второго усилителей, первого и второго пьезоэлементов прямого эффекта, их взаимное расположение по отношению друг к другу, электрические связи между ними и равные между собой оптические длины первого и второго резонаторов позволяют достичь решения поставленной задачи - обеспечения необходимой помехозащищенности устройства.

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

Таким образом, в заявляемом ГВ-детекторе на основе лазера с двумя геометрически- или пространственно-неэквивалентными резонаторами после введения в каждое плечо корректора оптической длины, усилителя, пьезоэлемента обратного эффекта и пьезоэлемента прямого эффекта 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 5. По ходу прошедшего через поляризационную разделительную призму 3 оптического излучения, исходящего из активной среды 1, расположено второе глухое зеркало 11. По ходу отраженного от второго глухого зеркала 11 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.

Для компенсации механических перемещений глухого зеркала 5, обусловленных температурными флуктуациями, используется первый пьезоэлемент прямого эффекта А, который параллельными гранями касается обратной стороны первого глухого зеркала 5 и параллельной стороны, а непараллельные стороны первого пьезоэлемента прямого эффекта 4 зажаты боковыми сторонами выреза. Вырезы для крепления первого и второго пьезоэлементов прямого эффекта 4, 12 имеют трапецеидальную форму.

Изменение температуры вызовет деформацию основания и механическое напряжение в основании. Сигнал с первого пьезоэлемента прямого эффекта 4 передается через первый регулируемый усилитель 13 на пьезоэлемент обратного эффекта 14, который приведет в действие второй корректор оптической длины 10.

Для компенсации механических перемещений глухого зеркала 11, обусловленных температурными флуктуациями, используем функциональную схему, неообходимую для компенсации перемещений первого глухого зеркала 5. Эта схема состоит из второго пьезоэлемента прямого эффекта 12, который параллельными гранями касается оборотной стороны второго глухого зеркала 11, а непараллельные стороны второго пьезоэлемента прямого эффекта 12 зажаты боковыми сторонами выреза. Изменение температуры вызовет деформацию основания и соответственно изменение механического напряжения, действующего на пьезоэлемент. Сигнал со второго пьезоэлемента прямого эффекта 12 передается через второй регулируемый усилитель 15 на второй пьезоэлемент обратного эффекта 16, который воздействует на первый корректор оптической длины 9.

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 5, 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 11, 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 11. 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 фиг.1, 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.

Компенсация механических перемещений глухих зеркал 5, 11, обусловленных температурными флуктуациями, осуществляется следующим образом. При увеличении температуры окружающей среды ситалловая плита-основание 17 расширяется, и длина (геометрическая), например, плеча первого оптического резонатора стоячих волн, состоящего из частично пропускающего зеркала 2, активного элемента 1, поляризационно-разделительной призмы 3 и первого глухого зеркала 5 увеличивается. Увеличение температуры на ΔT вызовет продольную ε_x и поперечную ε_y деформации.

Согласно гипотезе Дюаганелля-Неймана [8]

Здесь α - коэффициент температурного линейного расширения материала плиты-основания, u, υ - продольное и поперечное перемещение. Продольное направление (ось ОХ) направлено вдоль стороны первого глухого зеркала 5, поперечное направление (ось OY) направлено поперечно сторон первого глухого зеркала 5.

Изменение деформации вызовет изменение продольного σ_x и поперечного σ_y напряжений согласно закону Гука:

σ_х=E(ε_х+νε_у), σ_у=Е(ε_y+vε_y),

где Е и ν - модуль упругости и коэффициент Пуассона соответственно.

Вырез для крепления первого пьезоэлемента прямого эффекта является концентратором напряжений.

Возникновение продольного механического напряжения σ_x приводит к появлению электрического сигнала на обкладках первого пьезоэлемента прямого эффекта 4, который усиливается первым регулируемым усилителем 13 и подается на первый пьезоэлемент обратного эффекта 14, подключенный к входу второго корректора оптической длины 10. В результате этого оптическая длина резонатора стоячих волн будет оставаться неизменной. Корректоры оптической длины, например, могут представлять собой диэлектрические пластины с небольшой клиновидностью (переменной толщиной), благодаря которой при перемещении пластины под действием пьезоэлементов обратного эффекта перпендикулярно оптической оси происходит изменение оптической длины соответствующего резонатора.

Аналогично введение второго пьезоэлемента прямого эффекта 12, второго регулируемого усилителя 15, второго пьезоэлемента обратного эффекта 16 и первого корректора оптической длины 9 позволяет сохранить равенство (одинаковость) длин плеч интерферометра - оптические длины первого и второго резонаторов - независимо от изменения температуры.

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 и, следовательно, к уменьшению 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 Jo // 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.

8. Коваленко А.Д. Основы термоупругости, Киев; Наукова Думка, 1970 г., 308 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 и второй корректоры оптической длины, первый и второй пьезоэлементы обратного эффекта, первый и второй усилители, первый и второй пьезоэлементы прямого эффекта, а вырезы для крепления первого и второго пьезоэлементов прямого эффекта имеют трапецеидальную форму, причем первый пьезоэлемент прямого эффекта параллельными гранями касается обратной стороны первого глухого зеркала и параллельной стороны выреза, а непараллельные стороны первого пьезоэлемента прямого эффекта зажаты боковыми сторонами выреза, выход же первого пьезоэлемента прямого эффекта через первый усилитель и первый пьезоэлемент обратного эффекта подключен к входу второго корректора оптической длины, размещенного на пути оптического излучения второго оптического резонатора, а второй пьезоэлемент прямого эффекта параллельными гранями касается обратной стороны второго глухого зеркала и параллельной стороны другого выреза, а непараллельные стороны второго пьезоэлемента прямого эффекта зажаты боковыми сторонами этого выреза, выход же второго пьезоэлемента прямого эффекта через второй усилитель и второй пьезоэлемент обратного эффекта подключен к входу первого корректора оптической длины, размещенного на пути оптического излучения первого оптического резонатора, выходом же заявляемого устройства является выход блока обработки сигналов.