ГРАВИТАЦИОННО-ВОЛНОВОЙ ДЕТЕКТОР Российский патент 2001 года по МПК G01V7/04 

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 1.

Известен [3] ГВ-детектор для обнаружения периодических низкочастотных ГВ-сигналов от двойных астрофизических объектов, который является наиболее близким к заявляемому объекту и поэтому выбран в качестве прототипа. Он представляет собой лазер с двумя геометрически неэквивалентными оптическими резонаторами бегущих волн, построенными на одних и тех же отражательных элементах, и содержит активный элемент и рабочую среду в нем, первый и второй глухие голограммные дифракционные отражатели, глухой отражатель, глухой отражатель с пьезоэлементом на его обратной стороне, полупрозрачное зеркало с тонкой дифракционной решеткой на его обратной стороне, полупрозрачное зеркало, первую и вторую поляризационные призмы, фазовый модулятор, первый и второй поляризаторы, первый фотодетектор с блоком частотной автоподстройки на его выходе, второй фотодетектор с блоком фазовой автоподстройки на его выходе и третий фотодетектор с блоком оптимальной обработки сигналов на его выходе, являющемся выходом устройства. Размещенные последовательно на пути оптического излучения активный элемент, глухой отражатель, второй глухой голограммный дифракционный отражатель, первая поляризационная призма, фазовый модулятор, первый глухой голограммный дифракционный отражатель, полупрозрачное зеркало с тонкой дифракционной решеткой на его обратной стороне и глухой отражатель с пьезоэлементом на его обратной стороне образуют оптический опорный резонатор бегущих волн. Активный элемент, глухой отражатель, второй глухой голограммный дифракционный отражатель, глухой отражатель с пьезоэлементом на его обратной стороне, вторая поляризационная призма, первый глухой голограммный дифракционный отражатель, полупрозрачное зеркало с тонкой дифракционной решеткой на его обратной стороне образуют оптический сигнальный резонатор бегущих волн. Первый и второй глухие голограммные дифракционные отражатели, глухой отражатель, глухой отражатель с пьезоэлементом на его обратной стороне и полупрозрачное зеркало с тонкой дифракционной решеткой на его обратной стороне размещены в вершинах правильного пятиугольника. Выход полупрозрачного зеркала с тонкой дифракционной решеткой на его обратной стороне через первый поляризатор оптически связан со входом первого фотодетектора. Выход полупрозрачного зеркала с тонкой дифракционной решеткой на его обратной стороне через второй поляризатор и полупрозрачное зеркало параллельно оптически связан также со входами второго и третьего фотодетекторов. Выходы блоков частотной и фазовой автоподстройки подключены к управляемым входам пьезоэлемента и фазового модулятора, соответственно. Плоскости пропускания поляризационных призм взаимно ортогональны. Оптические излучения опорного и сигнального оптических резонаторов бегущих волн через полупрозрачное зеркало с тонкой дифракционной решеткой на его обратной стороне выходят из вышеупомянутых резонаторов на взаимно ортогональных линейных поляризациях. Выходные оптические излучения после прохождения через поляризаторы получают возможность образовывать интерференционные поля на входах фотодетекторов. Фотодетекторы предназначены для регистрации изменения интерференционного поля, возникающего в результате изменения разности фаз в оптических излучениях резонаторов, которое в свою очередь возникает в результате ГВ-воздействия детектируемого периодического низкочастотного ГВ-сигнала.

Принцип действия такого ГВ-детектора заключается в том, что в результате ГВ-воздействия детектируемого периодического низкочастотного ГВ-сигнала на оптическое излучение опорного и сигнального оптических резонаторов бегущих 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 опорного и сигнального 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, известное устройство-прототип [3] имеет принципиальную возможность по обнаружению периодических низкочастных ГВ-сигналов от двойных релятивистских астрофизических объектов.

Однако, прототип имеет существенный недостаток - отношение сигнал/шум на его выходе зависит от направления прихода гравитационной волны: при совпадении плоскости основания, на которой размещены элементы оптической части двухрезонаторной системы, с фазовым фронтом обнаруживаемого ГВ-сигнала отсутствует ГВ-воздействие на оптическое излучение внешнего (опорного) резонатора в силу симметричности конфигурации пятиугольника, и поэтому полезный сигнал на выходе третьего фотодетектора имеет максимальное значение. При других угловых направлениях (это будет как правило) на источники периодических низкочастотных ГВ-сигналов эта симметрия нарушается, и поэтому в опорном резонаторе будет присутствовать воздействие ГВ-сигнала на его оптическое излучение. Это приведет к тому, что полезный сигнал на выходе фотодетектора будет уменьшен (не менее чем в два раза) на величину ГВ- воздействия обнаруживаемого ГВ-сигнала на оптическое излучение в опорном резонаторе. Поэтому время накопления обнаруживаемого ГВ- сигнала в блоке оптимальной обработки сигналов для получения необходимого отношения сигнал/шум увеличится не менее чем в 4 раза. Учитывая то обстоятельство, что период ГВ-сигналов T_g от двойных астрофизических объектов около 10³ с и более [4], то увеличение времени накопления в 4 раза и более может оказаться существенным.

Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в получении следующего технического результата: разработка гравитационно-волнового детектора, выходное отношение сигнал/шум которого не зависит от ориентации ГВ-детектора относительно источника ГВ-сигналов.

Сущность изобретения заключается в том, что в известный гравитационно-волновой детектор, содержащий активный элемент и рабочую среду в нем, первый и второй глухие голограммные дифракционные отражатели, глухой отражатель, глухой отражатель с пьезоэлементом на его обратной стороне, полупрозрачное зеркало с тонкой дифракционной решеткой на его обратной стороне и полупрозрачное зеркало, первую и вторую поляризационные призмы, фазовый модулятор, первый и второй поляризаторы, первый фотодетектор с блоком частотной автоподстройки на его выходе, второй фотодетектор с блоком фазовой автоподстройки на его выходе и третий фотодетектор с блоком оптимальной обработки сигналов на его выходе, являющимся выходом устройства, причем размещенные последовательно на пути оптического излучения активный элемент, глухой отражатель, второй глухой голограммный дифракционный отражатель, первая поляризационная призма, фазовый модулятор, первый глухой голограммный дифракционный отражатель, полупрозрачное зеркало с тонкой дифракционной решеткой на его обратной стороне и глухой отражатель с пьезоэлементом на его обратной стороне образуют оптический опорный резонатор бегущих волн, а активный элемент, глухой отражатель, второй глухой голограммный дифракционный отражатель, глухой отражатель с пьезоэлементом на его обратной стороне, вторая поляризационная призма, первый глухой голограммный дифракционный отражатель и полупрозрачное зеркало с тонкой дифракционной решеткой на его обратной стороне образуют оптический сигнальный резонатор бегущих волн, при этом первый и второй глухие голограммные дифракционные отражатели, глухой отражатель, глухой отражатель с пьезоэлементом и полупрозрачное зеркало с тонкой дифракционной решеткой на его обратной стороне размещены в вершинах правильного пятиугольника, а выход полупрозрачного зеркала с тонкой дифракционной решеткой на его обратной стороне через первый поляризатор оптически связан со входом первого фотодетектора, кроме того, выход полупрозрачного зеркала с тонкой дифракционной решеткой на его обратной стороне через второй поляризатор и полупрозрачное зеркало параллельно оптически связан с входами второго и третьего фотодетекторов, а выходы блока частотной автоподстройки и блока фазовой автоподстройки подключены к управляемым входам пьезоэлемента и фазового модулятора, соответственно, - для решения поставленной задачи - введена поглощающая ячейка, причем поглощающая ячейка размещена на пути оптического излучения в опорном резонаторе между первой поляризационной призмой и фазовым модулятором.

Введение нового элемента - поглощающей ячейки в опорном резонаторе - позволяет достичь решения поставленной задачи - исключения зависимости отношения сигнал/шум на выходе ГВ-детектора от его ориентации относительно источника ГВ-сигналов.

В отличие от известного технического решения - прототипа, где частота излучения опорного резонатора лазерной системы определялась его параметрами (периметром его контура), а ГВ-воздействие приводило к изменению показателя преломления вдоль оптического пути распространения излучения (эквивалентно изменению длины пути - периметра контура), что приводило к набегу фаз (изменению частоты) в оптическом излучении, в заявляемом изобретении благодаря включению поглощающей ячейки в опорный резонатор (на пути его оптического излучения) частота генерации опорного резонатора определяется только собственной частотой излучения атомов поглощающей ячейки, которая под воздействием ГВ-сигнала не изменяется (т.е. отсутствует изменение показателя преломления вдоль оптического пути распространения излучения в опорном резонаторе под действием ГВ-сигнала, следовательно отсутствует набег фаз в оптическом излучении опорного резонатора). Поэтому полезный сигнал на выходе третьего фотодетектора от ориентации основания лазерного резонатора относительно источников гравитационного излучения не изменяется, что исключает необходимость длительного времени наблюдения (накопления).

Функциональная схема заявляемого устройства представлена на чертеже.

Глухой отражатель 2 с пьезоэлементом на его обратной стороне, полупрозрачное зеркало 3 с тонкой дифракционной решеткой на его обратной стороне, глухие голограммные дифракционные отражатели 4 и 8, глухой отражатель 9 размещены в вершинах правильного пятиугольника. Активный элемент 1 с рабочей средой в нем, служащий для генерации лазерного излучения, расположен между глухими зеркалами 2 и 9. Активный элемент 1, глухой отражатель 9, второй глухой голограммный дифракционный отражатель 8, первая поляризационная призма 7, фазовый модулятор 5, первый глухой голограммный дифракционный отражатель 4, полупрозрачное зеркало с тонкой дифракционной решеткой на его обратной стороне 3 и глухой отражатель с пьезоэлементом на его обратной стороне 2 образуют оптический опорный резонатор бегущих волн, а активный элемент 1, глухой отражатель 9, второй глухой голограммный дифракционный отражатель 8, глухой отражатель с пьезоэлементом на его обратной стороне 2, вторая поляризационная призма 10, первый глухой голограммный дифракционный отражатель 4 и полупрозрачное зеркало с тонкой дифракционной решеткой на его обратной стороне 3 образуют оптический сигнальный резонатор бегущих волн.

Элементы 1, 2, 3, 4, 8 и 9 являются общими для опорного и сигнального резонаторов. На пути оптического излучения в опорном резонаторе между первым 4 и вторым 8 глухими голограммными дифракционными отражателями расположены последовательно фазовый модулятор 5, поглощающая ячейка 6 и первая поляризационная призма 7. Вторая поляризационная призма 10 расположена на пути оптического излучения сигнального резонатора между глухим отражателем 2 и первым дифракционным отражателем 4. Выход полупрозрачного зеркала с тонкой дифракционной решеткой на его обратной стороне 3 (оптический выход резонаторов) через первый поляризатор 11 оптически связан со входом первого фотодетектора 16. Этот же выход через второй поляризатор 11 и через полупрозрачное зеркало 13 параллельно оптически связан со входами второго 17 и третьего 18 фотодетекторов. Выход первого фотодетектора 16 через блок частотной автоподстройки 14 подключен к управляемому входу пьезоэлемента, закрепленного на обратной стороне глухого отражателя 2. Выход второго фотодетектора 17 через блок фазовой автоподстройки 15 подключен к управляемому входу фазового модулятора 5. Выход третьего фотодетектора 18 подключен ко входу блока оптимальной обработки сигнала 19, выход которого является выходом устройства.

Устройство работает следующим образом.

Оптическое излучение с полным набором поляризаций, выходя из активного элемента 1, отражается последовательно от глухого отражателя 2 и полупрозрачного зеркала с тонкой дифракционной решеткой на его обратной стороне 3, попадает на первый голограммный дифракционный отражатель 4, который разделяет оптическое излучение по поляризациям и часть его с ТМ поляризацией, для которой угол падения равен углу отражения, направляет во внешний контур составного резонатора, образованного последовательно из элементов 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 и 9 (опорный резонатор). Другая часть излучения с ТЕ поляризацией, ортогональной ТМ поляризации, для которой угол отражения от голограммного дифракционного отражателя 4 не равен углу падения на него, циркулирует по внутреннему контуру составного резонатора, образованного последовательно из элементов 1, 2, 3, 4, 10, 2, 8 и 9 (сигнальный резонатор). При этом голограммный дифракционный отражатель 8 имеет те же свойства, что и голограммный дифракционный отражатель 4. Первая 7 и вторая 10 поляризационные призмы вычищают оптическое излучение соответственно в опорном и сигнальном резонаторах от излучения с неправильной поляризацией и пропускают далее себя только то излучение, которое обладает строго требуемой поляризацией. При отсутствии поглощающей ячейки 6 частота генерации опорного резонатора равна ω₁= Ω₁+Δω₁, а частота генерации сигнального резонатора равна ω₂= Ω₂+Δω₂, где Ω₁ и Ω₂ - собственные, не зависящие от гравитационно-волнового воздействия продольные частоты резонаторов, а Δω₁ и Δω₂ - сдвиги частот генерации опорного и сигнального резонаторов соответственно, обусловленные ГВ-воздействием детектируемого ГВ-сигнала [3]. Для измеряемой разности частот в этом случае будем иметь Δω = ω₂-ω₁= (Ω₂-Ω₁)+Δω_g, где первое слагаемое задает несущую частоту, а второе слагаемое Δω_g= (Δω₂-Δω₁) определяет величину детектируемого гравитационно-волнового сигнала. При падении гравитационной волны перпендикулярно плоскости основания, на которой размещены элементы оптической схемы, Δω₁= 0 [3] и величина Δω_g достигает своего максимального значения (Δω_g= Δω₂), но при других углах падения Δω₁≠ 0 и величина детектируемого сигнала уменьшается. Применение поглощающей ячейки 6, которая представляет собой кювету с разреженным газом, линия поглощения которого совпадает с собственной частотой излучения атомов активной среды [5], делает частоту генерации в опорном резонаторе равной ω₁= ω_o, где ω_o - собственная частота атомов поглощающей ячейки, которая не зависит от гравитационно-волнового излучения. Для измеряемой разности частот в этом случае будем иметь Δω = (Ω₂-ω_o)+Δω_g, причем Δω_g= Δω₂ при любом угле падения гравитационной волны, т.е. благодаря поглощающей ячейке 6 величина детектируемого ГВ-сигнала всегда имеет максимальное значение. Для вывода оптических излучений из резонаторов и измерения разности частот Δω используют полупрозрачное зеркало 3 с тонкой дифракционной решеткой на его обратной стороне. Эта дифракционная решетка обеспечивает распространение оптических излучений с ТЕ и ТМ поляризациями по двум направлениям: к первому 11 и второму 12 поляризаторам, у которых плоскости пропускания линейно поляризованного излучения образуют угол 45^o с плоскостью рисунка. После прохождения поляризаторов 11 и 12 оптические излучения от сигнального и опорного резонаторов образуют интерференционные поля, которые регистрируются первым фотодетектором 16 и (благодаря полупрозрачному зеркалу 13) вторым 17 и третьим 18 фотодетекторами. Напряжение с фотодетектора 16 поступает в блок частотной автоподстройки 14, который управляет работой пьезоэлемента, закрепленного на обратной стороне глухого отражателя 2. С помощью блока 14 поддерживается заданное значение несущей частоты (включая ноль при Ω₂= ω_o) [3]. Напряжение с фотодетектора 17 поступает в блок фазовой автоподстройки 15, который управляет работой фазового модулятора 5. С помощью блока 15 минимизируются фазовые шумы, вызванные техническими и естественными флуктуациями разностной частоты [3]. Напряжение с фотодетектора 18 поступает в блок оптимальной обработки сигналов 19, в котором производится когерентное накопление и выделение полезного сигнала из шумов [3].

Таким образом, заявляемое устройство выгодно отличается от прототипа тем, что введение на пути оптического излучения в опорный резонатор лазерной системы поглощающей ячейки исключает зависимость отношения сигнал/шум на выходе ГВ-детектора от его ориентации относительно источника гравитационного излучения. Это обусловлено тем, что частота генерации опорного резонатора определяется собственной частотой излучения атомов поглощающей ячейки, которая под воздействием ГВ-сигнала не изменяется (т.е. исключается набег фаз в оптическом излучении опорного резонатора). Отсутствие полезного сигнала в опорном резонаторе приводит к его отсутствию и на выходе третьего фотодетектора, выходной сигнал которого определяется разностью набегов фаз в оптических излучениях опорного и сигнального резонаторов под воздействием ГВ-сигнала. Следовательно, выходной полезный сигнал ГВ-детектора определяется только набегом фаз в сигнальном резонаторе под воздействием детектируемого ГВ-сигнала на его оптическое излучение и не потребуется дополнительное время для накопления, для обеспечения требуемого отношения сигнал/шум.

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, N 5, с. 1122-1125.

3. Balakin A.B., Murzakhanov Z.G., Skochilov A.F. Gravitation & Cosmology, Moscow, Vol. 5, N 3 (19), 1999 (прототип).

4. G. H. Taylor, R.N. Manchester, A.G. Lyne. // Astrophysical Journal Supplement, 1993, v. 88, p. 529.

5. Багаев С.Н., Чеботаев В.П. // УФН, 1986, т. 148, N 1, с. 143-178.5

Изобретение относится к лазерно-интерферометрическим гравитационно-волновым (ГВ) детекторам. Использование: в гравитационно-волновой астрономии для обнаружения низкочастотных периодических ГВ-сигналов от двойных релятивистских астрофизических объектов. Сущность: в опорный контур двухрезонаторной пятиугольной конфигурации лазерной системы с геометрически неэквивалентными контурами, с общими активными и отражательными элементами введена поглощающая ячейка. Это приводит к тому, что частота генерации опорного резонатора лазерной системы определяется только собственной частотой излучения атомов поглощающей ячейки, которая под воздействием ГВ-сигнала не изменяется (т.е. исключается набег фаз в оптическом излучении опорного резонатора под воздействием ГВ-сигнала). Поэтому выходной полезный сигнал ГВ-детектора от ориентации лазерной системы относительно источника гравитационного излучения не зависит и исключается необходимость увеличения времени накопления полезного сигнала до требуемого отношения сигнал/шум. 1 ил.

Гравитационно-волновой детектор, содержащий активный элемент и рабочую среду в нем, первый и второй глухие голограммные дифракционные отражатели, глухой отражатель, глухой отражатель с пьезоэлементом на его обратной стороне, полупрозрачное зеркало с тонкой дифракционной решеткой на его обратной стороне и полупрозрачное зеркало, первую и вторую поляризационные призмы, фазовый модулятор, первый и второй поляризаторы, первый фотодетектор с блоком частотной автоподстройки на его выходе, второй фотодетектор с блоком фазовой автоподстройки на его выходе и третий фотодетектор с блоком оптимальной обработки сигналов на его выходе, являющимся выходом устройства, причем размещенные последовательно на пути оптического излучения активный элемент, глухой отражатель, второй глухой голограммный дифракционный отражатель, первая поляризационная призма, фазовый модулятор, первый глухой голограммный дифракционный отражатель, полупрозрачное зеркало с тонкой дифракционной решеткой на его обратной стороне и глухой отражатель с пьезоэлементом на его обратной стороне образуют оптический опорный резонатор бегущих волн, а активный элемент, глухой отражатель, второй глухой голограммный дифракционный отражатель, глухой отражатель с пьезоэлементом на его обратной стороне, вторая поляризационная призма, первый глухой голограммный дифракционный отражатель, полупрозрачное зеркало с тонкой дифракционной решеткой на его обратной стороне и глухой отражатель с пьезоэлементом образуют оптический сигнальный резонатор бегущих волн, при этом первый и второй глухие голограммные дифракционные отражатели, глухой отражатель, глухой отражатель с пьезоэлементом на его обратной стороне и полупрозрачное зеркало с тонкой дифракционной решеткой на его обратной стороне размещены в вершинах правильного пятиугольника, а выход полупрозрачного зеркала с тонкой дифракционной решеткой на его обратной стороне через первый поляризатор оптически связан со входом первого фотодетектора, кроме того, выход полупрозрачного зеркала с тонкой дифракционной решеткой на его обратной стороне через второй поляризатор и полупрозрачное зеркало параллельно оптически связан с входами второго и третьего фотодетекторов, а выход блока частотной автоподстройки и блока фазовой автоподстройки подключены к управляемым входом пьезоэлемента и фазового модулятора соответственно, отличающийся тем, что в него введена поглощающая ячейка, причем поглощающая ячейка размещена на пути оптического излучения опорного резонатора между первой поляризационной призмой и фазовым модулятором.