中继式飞秒脉冲高精度位移探测装置属于引力波探测领域，该装置包括：测量端、一号飞秒锁相中继器、二号飞秒锁相中继器和三号飞秒锁相中继器；本发明专利技术采用了脉冲时域锁定式中继测量结构，通过三个飞秒锁相中继器的级联对测量光的光功率进行放大，将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，实现了外太阳系尺度的超远距离动态位移探测；通过光延迟线扫描实现了亚纳米级灵敏度的位移探测；测量端和三个飞秒锁相中继器之间相对独立，避免了相距遥远的卫星间的实时通信和高精度时钟同步问题。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于引力波探测领域，主要涉及一种外太阳系尺度超远距离高精度飞秒激光脉冲位移探测装置。
技术介绍
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。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LIGO、德国的GEO600、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NGO等空间引力波探测器，测程可达数百万公里；中国和欧洲合作的ASTROD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。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1/1010，ASTROD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。在远距离激光测距领域，如2002年，JournalofGeodynamics第34卷第三期发表文章《Asynchronouslasertranspondersforpreciseinterplanetaryrangingandtimetransfer》；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。在引力波探测领域，如2003年，PhysicalReviewD第67卷第12期发表文章《Implementationoftime-delayinterferometryforLISA》；又如2012年，JournalofGeodesy第86卷第12期发表文章《IntersatellitelaserranginginstrumentfortheGRACEfollow-onmission》，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ASTROD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。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。在飞秒激光测距领域，如2010年，NaturePhotonics第4卷第10期发表文章《Time-of-flightmeasurementwithfemtosecondlightpulses》；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，无法完成动态测量。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外太阳系尺度超远距离高精度位移探测装置。
技术实现思路
本专利技术针对上述装置精度较低、测程有待进一步提高、不能测量动态目标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，提出并设计了一种中继式飞秒脉冲高精度位移探测装置。采用了脉冲时域锁定式中继测量结构，实现了外太阳系尺度的超远距离动态位移探测，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间的实时通信和高精度时钟同步问题。本专利技术的目的通过以下技术方案实现：一种中继式飞秒脉冲高精度位移探测装置，包含测量端、一号飞秒锁相中继器、二号飞秒锁相中继器和三号飞秒锁相中继器，构成了脉冲时域锁定式中继测量结构；所述测量端的输出光指向一号飞秒锁相中继器的输入端，一号飞秒锁相中继器的输出光指向二号飞秒锁相中继器的输入端，二号飞秒锁相中继器的输出光指向三号飞秒锁相中继器的输入端，三号飞秒锁相中继器的输出光指向测量端。所述测量端的结构是：本地飞秒激光器发出的激光经过一号四分之一波片和一号偏振分光镜后分为两束；其中一束透射光经过二号四分之一波片和一号扩束准直器后射向一号飞秒锁相中继器；另一束反射光经过十三号四分之一波片和直角棱镜反射镜后射向一号角锥反射镜，被反射后又经过直角棱镜反射镜、二号角锥反射镜、十三号四分之一波片、一号偏振分光镜、二分之一波片和二号偏振分光镜射向本地平衡光电探测单元；同时，从三号飞秒锁相中继器发射过来的激光经过二号扩束准直器、十二号四分之一波片和二号偏振分光镜后也射向本地平衡光电探测单元；一号角锥反射镜固定在精密位移台上，精密位移台位于精密直线导轨上；本地平衡光电探测单元的输出端连接到本地控制单元的输入端，本地控制单元的输出端连接到精密位移台。所述一号飞秒锁相中继器的结构是：一号飞秒激光器发出的激光经过四号四分之一波片和三号偏振分光镜后分为两束；其中一束透射光经过五号四分本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种中继式飞秒脉冲高精度位移探测装置，其特征在于：包含测量端(1)、一号飞秒锁相中继器(2)、二号飞秒锁相中继器(3)和三号飞秒锁相中继器(4)，构成了脉冲时域锁定式中继测量结构；所述测量端(1)的输出光指向一号飞秒锁相中继器(2)的输入端，一号飞秒锁相中继器(2)的输出光指向二号飞秒锁相中继器(3)的输入端，二号飞秒锁相中继器(3)的输出光指向三号飞秒锁相中继器(4)的输入端，三号飞秒锁相中继器(4)的输出光指向测量端(1)；所述测量端(1)的结构是：本地飞秒激光器(46)发出的激光经过一号四分之一波片(47)和一号偏振分光镜(10)后分为两束；其中一束透射光经过二号四分之一波片(11)和一号扩束准直器(49)后射向一号飞秒锁相中继器(2)；另一束反射光经过十三号四分之一波片(9)和直角棱镜反射镜(8)后射向一号角锥反射镜(45)，被反射后又经过直角棱镜反射镜(8)、二号角锥反射镜(7)、十三号四分之一波片(9)、一号偏振分光镜(10)、二分之一波片(48)和二号偏振分光镜(42)射向本地平衡光电探测单元(43)；同时，从三号飞秒锁相中继器(4)发射过来的激光经过二号扩束准直器(40)、十二号四分之一波片(41)和二号偏振分光镜(42)后也射向本地平衡光电探测单元(43)；一号角锥反射镜(45)固定在精密位移台(49)上，精密位移台(49)位于精密直线导轨(5)上；本地平衡光电探测单元(43)的输出端连接到本地控制单元(44)的输入端，本地控制单元(44)的输出端连接到精密位移台(6)；所述一号飞秒锁相中继器(2)的结构是：一号飞秒激光器(14)发出的激光经过四号四分之一波片(16)和三号偏振分光镜(17)后分为两束；其中一束透射光经过五号四分之一波片(19)和四号扩束准直器(20)后射向二号飞秒锁相中继器(3)，另一束反射光直接射向一号平衡光电探测单元(18)；同时，从测量端(1)发射过来的激光经过三号扩束准直器(12)、三号四分之一波片(13)、一号反射镜(51)和三号偏振分光镜(17)后也射向一号平衡光电探测单元(18)；一号平衡光电探测单元(18)的输出端连接到一号控制单元(15)的输入端，一号控制单元(15)的输出端连接到一号飞秒激光器(14)；所述二号飞秒锁相中继器(3)的结构是：二号飞秒激光器(26)发出的激光经过七号四分之一波片(27)和五号偏振分光镜(28)后分为两束；其中一束透射光经过八号四分之一波片(29)和六号扩束准直器(30)后射向三号飞秒锁相中继器(4)，另一束反射光经过四号偏振分光镜(23)后射向二号平衡光电探测单元(24)；同时，从一号飞秒锁相中继器(2)发射过来的激光经过五号扩束准直器(21)、六号四分之一波片(22)和四号偏振分光镜(23)后也射向二号平衡光电探测单元(24)；二号平衡光电探测单元(24)的输出端连接到二号控制单元(25)的输入端，二号控制单元(25)的输出端连接到二号飞秒激光器(26)；所述三号飞秒锁相中继器(4)的结构是：三号飞秒激光器(33)发出的激光经过十号四分之一波片(35)和六号偏振分光镜(36)后分为两束；其中一束透射光经过十一号四分之一波片(38)和八号扩束准直器(39)后射向测量端(1)，另一束反射光直接射向三号平衡光电探测单元(37)；同时，从二号飞秒锁相中继器(3)发射过来的激光经过七号扩束准直器(31)、九号四分之一波片(32)、二号反射镜(50)和六号偏振分光镜(36)后也射向三号平衡光电探测单元(37)；三号平衡光电探测单元(37)的输出端连接到三号控制单元(34)的输入端，三号控制单元(34)的输出端连接到三号飞秒激光器(33)。...
【技术特征摘要】
1.一种中继式飞秒脉冲高精度位移探测装置，其特征在于：包含测量端(1)、一号飞秒锁
相中继器(2)、二号飞秒锁相中继器(3)和三号飞秒锁相中继器(4)，构成了脉冲时域锁定式中继
测量结构；所述测量端(1)的输出光指向一号飞秒锁相中继器(2)的输入端，一号飞秒锁相中继
器(2)的输出光指向二号飞秒锁相中继器(3)的输入端，二号飞秒锁相中继器(3)的输出光指向三
号飞秒锁相中继器(4)的输入端，三号飞秒锁相中继器(4)的输出光指向测量端(1)；
所述测量端(1)的结构是：本地飞秒激光器(46)发出的激光经过一号四分之一波片(47)和一
号偏振分光镜(10)后分为两束；其中一束透射光经过二号四分之一波片(11)和一号扩束准直器
(49)后射向一号飞秒锁相中继器(2)；另一束反射光经过十三号四分之一波片(9)和直角棱镜反
射镜(8)后射向一号角锥反射镜(45)，被反射后又经过直角棱镜反射镜(8)、二号角锥反射镜(7)、
十三号四分之一波片(9)、一号偏振分光镜(10)、二分之一波片(48)和二号偏振分光镜(42)射向
本地平衡光电探测单元(43)；同时，从三号飞秒锁相中继器(4)发射过来的激光经过二号扩束
准直器(40)、十二号四分之一波片(41)和二号偏振分光镜(42)后也射向本地平衡光电探测单元
(43)；一号角锥反射镜(45)固定在精密位移台(49)上，精密位移台(49)位于精密直线导轨(5)上；
本地平衡光电探测单元(43)的输出端连接到本地控制单元(44)的输入端，本地控制单元(44)的
输出端连接到精密位移台(6)；
所述一号飞秒锁相中继器(2)的结构是：一号飞秒激光器(14)发出的激光经过四号四分之
一波片(16)和三号偏振分光镜(17)后分为两束；其中一束透射光经过五号四分之一波片(19)和
四号扩束准直器(20)后射向二号飞秒锁相中继器(3)...
【专利技术属性】
技术研发人员：杨睿韬，郭佳豪，谭久彬，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江;23
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