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鬼斧神工,中国科高校研究开发出空间激光干涉

目前,中科院力学所承担了激光干涉测距系统方法学筛选和地面模拟系统的研制,并于近期取得进展。科研人员突破国际技术封锁和关键器件禁运,成功设计出集消除噪声与精密测距等多功能的激光干涉仪光路

中科院空间太极计划欲“巧夺天工”
或将引力波探测推向中低频波段

空间引力波探测和地球重力场空间测量两大科学计划具有重大科学意义和广泛的应用价值。空间引力波探测不仅可以检验爱因斯坦广义相对论,还可开启一个观测宇宙早期的新窗口;而先进重力场测量将为人们研究陆地水循环、冰川变化、海洋环流及大气循环等地球大质量时空分布、变化与迁移现象提供有效的分析依据。

今天上午,中国科学院在北京披露了一项雄心勃勃的引力波探测项目——空间太极计划。按计划,我国将在2030年前后发射引力波探测卫星组,进行中低频波段引力波的直接探测。目前,在中科院空间科学先导专项两期预研项目的支持下,已经开展了近五年的预先研究。

这两大科学计划的核心技术即是激光干涉测距系统,用以获得由空间引力波扰动或重力场异常所引起的星间距变化。空间引力波探测要求在百万公里量级的卫星间,获得皮米量级的位移测量精度;而对于地球重力场空间测量,也要在百公里量级的卫星间获得纳米级的测距精度。

“如果将引力波探测看作一部交响乐,这次LIGO的发现是一首序曲,主乐章还是要放到空间上去。”太极计划首席科学家、中科院院士胡文瑞告诉《中国科学报》记者,“空间上没有地球噪声干扰,人们可以去探测更宽频率的引力波,及其背后所蕴含的重大科学问题。空间激光干涉法测量中、低频引力波将是天文学和空间宇宙物理最前沿的课题。”

单频激光干涉仪从激光器发出的光束,经扩束准直后由分光镜分为两路,并分别从固定反射镜和可动反射镜反射回来会合在分光镜上而产生干涉条纹。当可动反射镜移动时,干涉条纹的光强变化由接受器中的光电转换元件和电子线路等转换为电脉冲信号,经整形、放大后输入可逆计数器计算出总脉冲数,再由电子计算机按计算式[356-11]式中为激光波长,算出可动反射镜的位移量L。使用单频激光干涉仪时,要求周围大气处于稳定状态,各种空气湍流都会引起直流电平变化而影响测量结果。

与美国LIGO(激光干涉引力波观测站)基于地面的观测系统不同,太极计划将把观测放在空间,将发射由位于等边三角形顶端三颗卫星组成的引力波探测星组,用激光干涉方法进行中低频波段(1x10-4-1.0 Hz)引力波探测。太极计划的主要科学目标是观测双黑洞并合和极大质量比天体并合时产生的引力波辐射,以及其它的宇宙引力波辐射过程。

双频激光干涉仪在氦氖激光器上,加上一个约0.03特斯拉的轴向磁场。由于塞曼分裂效应和频率牵引效应,激光器产生1和2两个不同频率的左旋和右旋圆偏振光。经1/4波片后成为两个互相垂直的线偏振光,再经分光镜分为两路。一路经偏振片1后成为含有频率为f1-f2的参考光束。另一路经偏振分光镜后又分为两路:一路成为仅含有f1的光束,另一路成为仅含有f2的光束。当可动反射镜移动时,含有f2的光束经可动反射镜反射后成为含有f2的光束,Δf是可动反射镜移动时因多普勒效应产生的附加频率,正负号表示移动方向(多普勒效应是奥地利人C.J.多普勒提出的,即波的频率在波源或接受器运动时会产生变化)。这路光束和由固定反射镜反射回来仅含有f1的光的光束经偏振片2后会合成为f1-(f2±Δf)的测量光束。

卫星采用无拖曵技术,星组中卫星间距300万公里,激光功率约2瓦,望远镜口径约0.5米,加速度噪音、测距精度等技术指标总体上优于欧洲空间局LISA计划的要求,而频率范围覆盖了LISA的低频和日本DECIGO计划的中频。

测量光束和上述参考光束经各自的光电转换元件、放大器、整形器后进入减法器相减,输出成为仅含有±Δf的电脉冲信号。经可逆计数器计数后,由电子计算机进行当量换算后即可得出可动反射镜的位移量。双频激光干涉仪是应用频率变化来测量位移的,这种位移信息载于f1和f2的频差上,对由光强变化引起的直流电平变化不敏感,所以抗干扰能力强。它常用于检定测长机、三坐标测量机、光刻机和加工中心等的坐标精度,也可用作测长机、高精度三坐标测量机等的测量系统。利用相应附件,还可进行高精度直线度测量、平面度测量和小角度测量。

空间引力波太极计划涉及学科领域和前端技术广泛,包括物理学、天文学、宇宙学、天体物理、空间科学、光学,以及精密测量、航天技术、导航与制导、飞行器与轨道设计等,需要发展空间超远距离超高精度激光测量、超高灵敏度惯性传感器,以及超高精度卫星无拖曳控制等下一代高端空间技术。“这些技术对于提升我国空间科学和深空探测的技术水平具有重要意义,对惯性导航、地球科学、高精度卫星平台建设等应用领域也将发挥积极的作用。”胡文瑞说。

空间引力波探测和地球重力场空间测量两大科学计划具有重大科学意义和广泛的应用价值。空间引力波探测不仅可以检验爱因斯坦广义相对论,还可开启一个观测宇宙早期的新窗口;而先进重力场测量将为人们研究陆地水循环、冰川变化、海洋环流及大气循环等地球大质量时空分布、变化与迁移现象提供有效的分析依据。这两大科学计划的核心技术即是激光干涉测距系统,用以获得由空间引力波扰动或重力场异常所引起的星间距变化。空间引力波探测要求在百万公里量级的卫星间,获得皮米量级的位移测量精度;而对于地球重力场空间测量,也要在百公里量级的卫星间获得纳米级的测距精度。这无疑是目前测量学的重大挑战。

空间引力波探测和研究需要许多先进技术。如在空间激光干涉仪方面需要稳频和锁相的大功率激光器和激光干涉系统;需要用无拖曵技术控制的高精度光学平台;需要测量超低重力水平的惯性传感器;需要控制各种噪声以分辨出引力波引起的微小距离的变化;以及需要与实验设备一体化的卫星研制。

2008年,由中国科学院力学研究所国家微重力实验室牵头,联合中科院理论物理研究所、中科院物理研究所、中科院武汉物理与数学研究所、华中科技大学、中国东方红卫星股份有限公司等,组建了中科院空间引力波调研论证组;2009年,中科院将空间引力波探测列入中科院2050中长期发展规划;2011年,美国NASA退出LISA计划,ESA寻求中国20%的合作,其中皮米精度的激光干涉仪列为中国可能贡献的载荷之一;2012年,为响应国际同行的合作倡议,由力学所和中国科学院大学牵头成立了中科院空间引力波探测工作组。

“我国目前的技术能力与国际先进水平还有一定的差距,这种差距可以通过良好的国际合作得到一定的弥补。”太极计划首席科学家、中科院大学副校长、中科院院士吴岳良说,“目前太极计划工作组与国际同行已建立了广泛的联系。”

为配合和推进空间引力波探测等科学计划的落实,力学所承担了激光干涉测距系统方法学筛选(ChinesePhysicsLetters,2012,29079501-3)和地面模拟系统的研制。在中科院空间中心战略先导项目和中科院科研装备研制项目的支持下,科研人员突破国际技术封锁和关键器件禁运,成功地设计出集消除噪声与精密测距等多功能的激光干涉仪光路,以及多元抑噪的方案,研制出测距精度优于100pm/Hz1/2的激光干涉仪;采用数字锁相环技术和现场可编程门阵列等硬件平台,研制出检相精度优于2π×10-5rad/Hz1/2的高精度相位计(Rev.Sci.Instrum.2014,85,024503);采用差分波前检测技术和相敏型指向敏感器,发展了指向控制精度达10nrand/Hz1/2的激光指向控制模拟系统(Rev.Sci.Instrum.2014,85,074501);利用电光相位调制器、锁相控制模块等建立了锁相精度优于2π×10-4rad/Hz1/2的激光锁相控制模拟系统;同时,申请了多项技术发明专利;成功构建了空间激光干涉测距地面模拟装置。这标志着我国在空间精密测距技术领域迈出了坚实的一步,积累了宝贵的知识和经验,奠定了技术基础。

据介绍,太极计划将是一个中欧合作的国际合作计划,目前有两个方案。一个方案是参加欧空局的双边合作计划,今年秋天将召开第三次双方科学家会议,完成双边合作的可行性报告,然后各自向主管部门呈报,由双方主管部门审批后执行。

目前,中科院力学所承担了激光干涉测距系统方法学筛选和地面模拟系统的研制,并于近期取得进展。科研人员突破国际技术封锁和关键器件禁运,成功设计出集消除噪声与精密测距等多功能的激光干涉仪光路,以及多元抑噪的方案,研制出测距精度优秀的激光干涉仪;采用数字锁相环技术和现场可编程门阵列等硬件平台,研制出检相精度优秀的高精度相位计;采用差分波前检测技术和相敏型指向敏感器,发展了高指向控制精度的激光指向控制模拟系统;利用电光相位调制器、锁相控制模块等建立了锁相精度优秀的激光锁相控制模拟系统,同时,研究者还成功构建了空间激光干涉测距地面模拟装置。

第二个方案是发射一组中国的引力波探测卫星组,这一方案拟于2033年前后发射,实现我国大型先进科学卫星计划的突破。届时,中国与欧洲将同时在空间独立进行引力波探测,互相补充和检验测量结果。

以上取得的成绩,标志着我国在空间精密测距技术领域有了进一步发展,并为之后的研究奠定了技术基础。该项目近日通过了由中科院组织的专家组验收。

“这将使我国成为国际上空间引力波研究最重要基地之一。以基础科学研究为牵引,我国在空间科学研究、高端空间技术和科学卫星的整体水平上将会有质的飞跃。”胡文瑞坦言,最终采取哪个方案,将取决于国家的决心和投入。

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据了解,空间引力波探测已被列入中科院制订的空间2050年规划。2008年,由中科院发起,院内外多家单位参与,成立了中科院空间引力波探测论证组,开始规划我国空间引力波探测在未来数十年内的发展路线图,目前已形成了一支以中科院科研人员为主的空间太极计划工作组。在中科院先导科技专项空间科学预先研究项目连续三期的资助下,工作组组织了各种学术交流活动,在引力波源的理论及探测研究和卫星技术研究上取得了诸多进展。

标签: 测长机 中科院

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