Гравитационно-волновой детектор

Изобретение относится к лазерно-интерферометрическим гравитационно-волновым (ГВ) детекторам и может быть использовано для обнаружения низкочастотных периодических гравитационно-волновых сигналов от двойных релятивистских астрофизических объектов. Задача, на решение которой направлено заявленное изобретение, заключается в разработке ГВ-детектора на основе двухрезонаторной лазерной системы с общей активной средой и геометрически неэквивалентными контурами. Сущность изобретения заключается в том, что за счет введения в каждый резонатор двухрезонаторной лазерной системы вспомогательных и концевых зеркал, а также полупрозрачной пластины и поляризатора достигается обеспечение облегченного проведения юстировки, настройки и пространственного разделения излучений оптических резонаторов, что приводит к более надежной и устойчивой работе лазерной системы ГВ-детектора.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 неизвестны, 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 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 содержит первое частично пропускающее зеркало, первую поляризационную разделительную призму, второй резонатор содержит второе частично пропускающее зеркало, вторую поляризационную разделительную призму, причем оба резонатора имеют общий активный элемент и рабочую среду в нем. 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].

Однако, как показали экспериментальные исследования [6], прототип имеет существенный недостаток, обусловленный крайней сложностью юстировки, настройки и пространственного разделения после поляризационных разделительных призм излучений первого и второго резонаторов.

Задача, на решение которой направлено заявленное изобретение, заключается в разработке гравитационно-волнового детектора, позволяющего значительно облегчить проведение юстировки, настройки и пространственного разделения излучений первого и второго резонаторов.

Сущность изобретения заключается в том, что в известный гравитационно-волновой детектор, содержащий активный элемент и рабочую среду в нем, первую и вторую поляризационные разделительные призмы со взаимно ортогональными плоскостями пропускания, первое и второе частично пропускающие выходные зеркала и последовательно соединенные фотодетектор и систему обработки сигналов, являющуюся выходом устройства, для решения поставленной задачи в него введены первое и второе вспомогательные зеркала, первое и второе концевые зеркала, а также полупрозрачная пластина и поляризатор, причем последовательно размещенные на пути оптического излучения первое концевое зеркало, первая поляризационная разделительная призма, первое вспомогательное зеркало, активная среда, второе вспомогательное зеркало, вторая поляризационная разделительная призма и первое частично пропускающее выходное зеркало образуют первый оптический резонатор стоячих волн, последовательно размещенные на пути оптического излучения второе концевое зеркало, вторая поляризационная разделительная призма, второе вспомогательное зеркало, активная среда, первое вспомогательное зеркало, первая поляризационная разделительная призма и второе частично пропускающее выходное зеркало образуют второй оптический резонатор стоячих волн, а оптическое линейно поляризованное излучение первого резонатора с выхода частично пропускающего первого выходного зеркала отражается от полупрозрачной пластины, оптическое линейно поляризованное излучение второго резонатора, взаимно ортогональное излучению первого резонатора с выхода частично пропускающего второго выходного зеркала проходит через полупрозрачную пластину, причем пространственно совмещенные излучения обоих резонаторов с выхода полупрозрачной пластины, проходя через поляризатор, обеспечивающий их интерференцию, поступают на вход фотодетектора.

Введение новых элементов: первого и второго вспомогательных зеркал, первого и второго концевых зеркал, полупрозрачной пластины и поляризатора, а также их взаимное размещение позволяют достичь решения поставленной задачи - обеспечения облегченного проведения юстировки, настройки и пространственного разделения излучений первого и второго резонаторов, что приводит к более надежной и устойчивой работе лазерной системы ГВ-детектора.

В известном техническом решении затруднены меры для обеспечения проведения юстировки, настройки и пространственного разделения излучений первого и второго резонаторов.

Таким образом, в заявляемом ГВ-детекторе на основе лазера с двумя пространственно неэквивалентными резонаторами после введения вспомогательных и концевых зеркал, полупрозрачной пластины и поляризатора появляется возможность значительного облегчения проведения юстировки, настройки и пространственного разделения излучений первого и второго резонаторов.

Функциональная схема заявляемого устройства представлена на фиг.1.

Активная среда 1, служащая для генерации лазерного излучения, расположена между вспомогательными зеркалами 4 и 5. По ходу отраженного от первого вспомогательного зеркала 4 оптического излучения, исходящего из активной среды 1, расположена первая поляризационная разделительная призма 3. По ходу отклоненного первой поляризационной разделительной призмой 3 оптического излучения, отраженного от первого вспомогательного зеркала 4, расположено первое концевое зеркало 2. По ходу прошедшего через первую поляризационную разделительную призму 3 оптического излучения, отраженного от первого вспомогательного зеркала 4, расположено второе частично пропускающее выходное зеркало 9. По ходу отраженного от второго вспомогательного зеркала 5 оптического излучения, исходящего из активной среды 1, расположена вторая поляризационная разделительная призма 6. По ходу отклоненного второй поляризационной разделительной призмой 6 оптического излучения, отраженного от второго вспомогательного зеркала 5, расположено второе концевое зеркало 8. По ходу прошедшего через вторую поляризационную разделительную призму 6 оптического излучения, отраженного от второго вспомогательного зеркала 5, расположено первое частично пропускающее выходное зеркало 7. По ходу прошедшего через второе частично пропускающее выходное зеркало 9 оптического излучения, отраженного от первого вспомогательного зеркала 4 и прошедшего через первую поляризационную разделительную призму 3, расположены последовательно полупрозрачная пластина 10, поляризатор 11, фотоприемник 12 и блок обработки сигналов 13.

Устройство работает следующим образом.

Оптическое излучение с полным набором поляризаций, выходя из активной среды 1, отражается от вспомогательного зеркала 4 и попадает на поляризационную разделительную призму 3. Часть оптического излучения с ТЕ-поляризацией отклоняется элементом 3 и автоколлимационно отражается от первого концевого зеркала 2, после чего вновь отклоняется элементом 3 в сторону вспомогательного зеркала 4, отражается от него, проходит через активную среду 1 и после отражения от вспомогательного зеркала 5 и прохождения через поляризационную призму 6 автоколлимационно отражается от частично пропускающего выходного 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 частично пропускающего выходного зеркала 9, после чего вновь проходит через элемент 3, отражается от вспомогательного зеркала 4, проходит через активную среду 1, отражается от зеркала 5, отклоняется поляризационной призмой 6 и автоколлимационно отражается от второго концевого зеркала 8, обеспечивая генерацию стоячей волны ТМ-поляризации во втором резонаторе. Благодаря поляризационным разделительным призммам 3 и 6 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 где h≈10^-22 - безразмерная амплитуда гравитационной волны. В результате происходит индуцированное выделяемым ГВ-сигналом периодическое изменение разности фаз между оптическими излучениями первого и второго резонаторов. Выходящие с помощью частично пропускающих зеркал 7 и 9 излучения из первого и второго резонаторов пространственно совмещаются с помощью полупрозрачной пластины 10, а после прохождения через поляризатор 11, у которого плоскость пропускания света образует угол 45° с плоскостью чертежа, на входе фотоприемника 12 создают интерференционное поле. Сигнал с фотоприемника 12 поступает в блок обработки сигналов 13, который служит для выделения полезного сигнала из шумов.

Введение вспомогательных зеркал 4 и 5, концевых зеркал 2 и 8, полупрозрачной пластины 10 и поляризатора 11, благодаря их взаимному размещению, как показано на чертеже, позволяет, в отличие от ПРОТОТИПА, достичь решения поставленной задачи - обеспечения облегченного проведения юстировки, настройки и пространственного разделения излучений первого и второго резонаторов.

Таким образом, в заявляемом ГВ-детекторе на основе лазера с двумя пространственно неэквивалентными резонаторами после введения вспомогательных и концевых зеркал, полупрозрачной пластины и поляризатора появляется возможность значительного облегчения проведения юстировки, настройки и пространственного разделения излучений первого и второго резонаторов.

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), p.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. Daishev R.A., Murzakhanov Z.G., Skochilov A.F. // Gravitation & Cosmology, 2006, Vol.12, N1 (45), p.78-84.

6. Агачев A.P., Белозеров А.Ф., Буйнов Г.Н., Комиссарук В.А., Лукин А.В., Любимов А.И., Маврин С.В., Мурзаханов З.Г., Рафиков Р.А., Скочилов А.Ф., Чередилин В.А., Чугунов Ю.П. // Оптический журнал, 2002, т.69, №12, с.7-13.

Гравитационно-волновой детектор, содержащий активный элемент и рабочую среду в нем, первую и вторую поляризационные разделительные призмы со взаимно ортогональными плоскостями пропускания, первое и второе частично пропускающие выходные зеркала и последовательно соединенные фотодетектор и систему обработки сигналов, являющуюся выходом устройства, отличающийся тем, что в него введены первое и второе вспомогательные зеркала, первое и второе концевые зеркала, а также полупрозрачная пластина и поляризатор, причем последовательно размещенные на пути оптического излучения первое концевое зеркало, первая поляризационная разделительная призма, первое вспомогательное зеркало, активная среда, второе вспомогательное зеркало, вторая поляризационная разделительная призма и первое частично пропускающее выходное зеркало образуют первый оптический резонатор стоячих волн, последовательно размещенные на пути оптического излучения второе концевое зеркало, вторая поляризационная разделительная призма, второе вспомогательное зеркало, активная среда, первое вспомогательное зеркало, первая поляризационная разделительная призма и второе частично пропускающее выходное зеркало образуют второй оптический резонатор стоячих волн, а оптическое линейно поляризованное излучение первого резонатора с выхода частично пропускающего первого выходного зеркала отражается от полупрозрачной пластины, оптическое линейно поляризованное излучение второго резонатора, взаимно ортогональное излучению первого резонатора, с выхода частично пропускающего второго выходного зеркала проходит через полупрозрачную пластину, причем пространственно совмещенные излучения обоих резонаторов с выхода полупрозрачной пластины, проходя через поляризатор, обеспечивающий их интерференцию, поступают на вход фотодетектора.