雙向飛秒脈沖高精度位移探測方法及裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ]本發(fā)明屬于引力波探測領(lǐng)域，主要涉及一種超遠(yuǎn)距離高精度飛秒激光脈沖位移探 測方法及裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 多年以來，引力波探測一直是世界各國的研究熱點，引力波的探測是對廣義相對 論預(yù)言的直接驗證，也是對其核心思想的直接檢驗，并且對探討引力場的量子化和大統(tǒng)一 模型、研究宇宙起源和演化具有重大意義。引力波的探測直接促成了引力波天文學(xué)的誕生， 使得用引力波代替?zhèn)鹘y(tǒng)的電磁波手段觀測宇宙成為可能，這可以為我們提供大量過去無法 獲得的信息，為人們進(jìn)一步加深對宇宙的理解提供了新的途徑。
[0003] 遠(yuǎn)距離精密位移探測是引力波探測的核心技術(shù)，目前的探測方法多基于激光干涉 儀。美國的LIG0、德國的GE0600、意大利的VIRGO和日本的TAMA300等地面引力波探測器，測 程可達(dá)幾十公里;美國的LISA、歐洲的NG0等空間引力波探測器，測程可達(dá)數(shù)百萬公里沖國 和歐洲合作的ASTR0D等深空引力波探測器測程將達(dá)到上億公里，而其后續(xù)任務(wù)的測程更 遠(yuǎn)，將在外太陽系尺度上展開精密位移探測。
[0004] 然而，在上述深空引力波探測任務(wù)中，由于測程遙遠(yuǎn)，以目前的光束整形技術(shù)，即 使出射光的光束發(fā)散角僅為幾個微弧度，在到達(dá)遙遠(yuǎn)的目標(biāo)端時，光斑也將擴(kuò)散得極其明 顯；再加上光路中不可避免的光學(xué)損耗，測距系統(tǒng)的回光功率與被測距離呈四次方關(guān)系劇 烈衰減，系統(tǒng)最終探測到的回光能量僅為出射能量中很小的一部分。例如，空間引力波探測 項目LISA中的系統(tǒng)回光能量僅為出射光能量的1/10 1()，ASTR0D中的系統(tǒng)回光能量僅為出射 光能量的3/1014?；毓夤β蔬^小將會導(dǎo)致測距系統(tǒng)的信噪比大幅度降低，進(jìn)而測量精度無法 滿足需求，甚至根本無法測量。
[0005] 在遠(yuǎn)距離激光測距領(lǐng)域，如2002年，Journal of Geodynamics第34卷第三期發(fā)表 文章 〈〈Asynchronous laser transponders for precise interplanetary ranging and time transfer》；又如2010年，光電工程第37卷第5期發(fā)表文章《異步應(yīng)答激光測距技術(shù)》， 均在被測端采用異步應(yīng)答器對測距系統(tǒng)的脈沖功率進(jìn)行放大，使得系統(tǒng)回光功率由被測距 離的四次方衰減函數(shù)變?yōu)榱似椒剿p函數(shù)，大幅度擴(kuò)展了系統(tǒng)測程。但是，該方法放大后的 脈沖序列與原脈沖序列相比存在時域延遲及時鐘不同步的問題，不能在放大脈沖功率的同 時保留原脈沖信號的時域信息，只能通過其它手段進(jìn)行補(bǔ)償，導(dǎo)致測距精度難以突破毫米 量級。且該方法需要在距離遙遠(yuǎn)的兩個測量端之間實現(xiàn)高精度時鐘同步和實時通信。
[0006] 在引力波探測領(lǐng)域，如2003年，Physical Review D第67卷第12期發(fā)表文章 《Implementation of time-delay interferometry for LISA》；又如2012年，Journal of Geodesy第86卷第12期發(fā)表文章 〈〈Intersatellite laser ranging instrument for the GRACE follow-on mission》，均提出了雙向激光干涉位移探測方法，通過被測端的從屬激 光器配合測量端的主激光器進(jìn)行測量，其測程可以達(dá)到五百萬公里。但是，雙向干涉儀仍然 無法滿足ASTR0D等深空引力波探測任務(wù)上億公里的測程需求，且該方法需要距離遙遠(yuǎn)的兩 個測量端之間實現(xiàn)實時通信與高精度時鐘同步，這在上億公里的距離尺度上是很難實現(xiàn) 的。
[0007] 近年來，隨著飛秒激光技術(shù)的發(fā)展，飛秒脈沖測距方法逐漸進(jìn)入了人們的視野。其 主要優(yōu)勢在于脈沖能量非常集中，可以在瞬間達(dá)到極高的峰值功率。相比于干涉測量和雙 向干涉測量等連續(xù)波測量方法，在相同的激光器平均功率下，系統(tǒng)回光功率可以提高多個 甚至十余個量級，因而更適合于超遠(yuǎn)距離測量。此外，基于飛秒激光的測距方法相比于傳統(tǒng) 脈沖測距方法而言，可以達(dá)到更高的精度。
[0008] 在飛秒激光測距領(lǐng)域，如2010年，Nature Photonics第4卷第10期發(fā)表文章《111116-of-flight measurement with femtosecond light pulses》；又如2012年，物理學(xué)報第61 卷第24期發(fā)表文章《基于飛秒激光平衡光學(xué)互相關(guān)的任意長絕對距離測量》，均提出一種針 對飛秒脈沖的平衡光學(xué)互相關(guān)方法，通過測量脈沖和參考脈沖之間的時域鎖定，實現(xiàn)了納 米量級的測距精度。但在超遠(yuǎn)距離測量中，該方法尚不足以滿足深空引力波探測任務(wù)的測 程需求，且隨著被測距離的增大，其測量誤差線性增大，無法滿足空間引力波探測任務(wù)的精 度需求。此外，在超遠(yuǎn)距離測量中，由于測量光的往返時間很長，極大地影響了測量系統(tǒng)的 動態(tài)特性，使得該方法只能測量靜態(tài)目標(biāo)，無法完成動態(tài)測量。
[0009] 綜上所述，目前在引力波探測領(lǐng)域缺少一種基于飛秒激光的超遠(yuǎn)距離高精度位移 探測方法及裝置。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010] 本發(fā)明針對上述方法及裝置探測靈敏度較低、測程有待進(jìn)一步提高、不能測量動 態(tài)目標(biāo)以及距離遙遠(yuǎn)的兩個測量端之間難以實現(xiàn)實時通信和高精度時鐘同步等問題，提出 并設(shè)計了一種雙向飛秒脈沖高精度位移探測方法及裝置。采用了脈沖時域鎖定式雙向測量 結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了上億公里尺度的超遠(yuǎn)距離動態(tài)位移探測，探測靈敏度可以達(dá)到亞納米量級，同 時避免了相距遙遠(yuǎn)的測量端和被測端之間的實時通信和高精度時鐘同步問題。
[0011] 本發(fā)明的目的通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)：
[0012] -種雙向飛秒脈沖高精度位移探測方法，該方法步驟如下：
[0013] a、在測量端，由測量端飛秒激光器發(fā)出的飛秒激光脈沖序列經(jīng)過測量端分光光路 后分為兩束，其中一束作為測量信號發(fā)射向遙遠(yuǎn)的被測端，另一束作為測量端參考信號由 測量端平衡光電探測單元進(jìn)行探測;參考光的光程可以通過光延遲線掃描單元進(jìn)行調(diào)整；
[0014] b、在被測端，由被測端飛秒激光器發(fā)出的飛秒激光脈沖序列經(jīng)過被測端分光光路 后分為兩束，其中一束作為回光信號發(fā)射回遙遠(yuǎn)的測量端，另一束作為被測端參考信號，與 被測端接收到的測量信號一同由被測端平衡光電探測單元進(jìn)行探測;對測量信號和被測端 參考信號進(jìn)行平衡光電探測后產(chǎn)生反饋信號，進(jìn)而對被測端飛秒激光器的腔長進(jìn)行反饋控 制，通過改變其脈沖重復(fù)頻率，實現(xiàn)測量信號和被測端參考信號在時域的高精度重疊和鎖 定；
[0015] c、在測量端，接收到的回光信號與測量端參考信號一同由測量端平衡光電探測單 元進(jìn)行探測；對回光信號和測量端參考信號進(jìn)行平衡光電探測后產(chǎn)生反饋信號，進(jìn)而通過 光延遲線掃描的方式對測量端的參考光程進(jìn)行反饋控制，實現(xiàn)回光信號和測量端參考信號 在時域的高精度重疊和鎖定；
[0016] d、在測量端，當(dāng)回光信號和測量端參考信號已經(jīng)鎖定后，若測量端和被測端之間 產(chǎn)生相對位移，將導(dǎo)致回光信號和測量端參考信號在時域上產(chǎn)生偏差。測量端控制單元控 制光延遲線掃描單元改變參考光光程，使回光信號和測量端參考信號的脈沖序列重新鎖 定，則精密位移臺產(chǎn)生的位移量即為被測位移量。
[0017] -種雙向飛秒脈沖高精度位移探測裝置，其測量端包括測量端飛秒激光器、測量 端分光光路、測量端平衡光電探測單元、和測量端控制單元和光延遲線掃描單元;在被測端 設(shè)置了主動反射器，構(gòu)成了脈沖時域鎖定式雙向測量結(jié)構(gòu);所述主動反射器由被測端飛秒 激光器、被測端分光光路、被測