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

Изобретение относится к лазерно-интерферометрическим гравитационно-волновым (ГВ) детекторам и может быть использовано, например, в гравитационно-волновой астрономии для обнаружения периодических низкочастотных гpaвитaционно-волновых сигналов от двойных релятивистских астрофизических объектов.

Известно, что существуют теоретические предсказанья о формировании эластодинамического отклика твердотельных ГВ-антенн - детекторов Веберовского типа [1] , электродинамического отклика длиннобазовых лазерно-интерферометрических антенн Майкельсоновского типа [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. Это уменьшает достоверность обнаружения ГВ-сигналов, поскольку требуемое мгновенное отношение сигнал/шум для уверенного обнаружения ГВ-сигнала от вспышечного источника ГИ такими детекторами должно быть больше единицы.

Теоретически разработан [3] двухплечевой ГВ-детектор для обнаружения периодических низкочастотных ГВ-сигналов от двойных астрофизических объектов. В отличие от детекторов как Веберовского типа, так и лазерно-интерферометрических антенн Майкельсоновского типа, в этом детекторе чувствительным к гравитационному воздействию элементом является оптическое излучение. При этом используется новое физическое явление гравитационно-индуцированного набега фазы оптического излучения, сущность которого заключается в непосредственном воздействии гравитационного поля на электромагнитное излучение. Детектор содержит основной кольцевой резонатор с активной средой для накачки оптического излучения в оптически связанные с резонатором и удлиненные вдоль ортогональных осей рециркуляторы. Рециркуляторы образуют два резонатора (контура), которые обеспечивают когерентную обратную связь. Принцип действия такого ГВ-детектора заключается в том, что [2, 3] в результате прямого воздействия детектируемого ГВ-сигнала на встречно pacпpocтpaняющиеся оптические излучения резонаторов происходит набег фаз в оптических излучениях по закону изменения ГВ-сигнала. Происходит это потому, что ГВ-сигнал изменяет эффективный показатель преломления вдоль оптических путей распространения лазерного излучения, а это в свою очередь приводит к изменению фазы электромагнитной волны.

В силу геометрической или пространственной неэквивалентности конфигурации первого и второго резонаторов ГВ-воздействие приводит к различным изменениям показателей преломления вдоль оптических путей, а следовательно, и к различным набегам фаз в этих оптических излучениях. По величине индуцированной разности фаз в оптических излучениях резонаторов и судят о воздействии ГВ-сигнала на оптические излучения резонаторов. Наличие ненулевой разности фаз (фазовых модуляций) для оптических излучений гарантируется именно геометрической и (или) пространственной неэквивалентностью резонаторов (контуров). Необходимым условием работоспособности вышеупомянутого ГВ-детектора является работа в режиме синхронизации, когда оптические излучения в разных контурах распространяются в противоположных направлениях и имеют одинаковую частоту.

Таким образом, основными условиями обеспечения детектирования ГВ-сигнала при использовании двухрезонаторной лазерной системы являются два условия: геометрическая или пространственная неэквивалентность резонаторов (контуров) и генерация в резонаторах встречных оптических излучений в зоне синхронизации.

Практически такой ГВ-детектор не может быть реализован, поскольку у него есть два существенных недостатка. Первым существенным недостатком является его низкая помехозащищенность в условиях воздействия внешних помех. Это - все виды механических воздействий на отражатели (вибрационные, сейсмические, акустические, тепловые).

Механические колебания отражателей приводят к изменению оптических длин резонаторов, а следовательно, и к изменению частот (фаз) оптических излучений в резонаторах. Это, в свою очередь, выводит генерацию оптического излучения в резонаторах из зоны синхронизации и делает невозможным регистрацию изменения интерференционного поля на входе фотоприемной системы фазоразностным методом. Другим существенным недостатком является то, что каждый резонатор имеет свои (не общие) отражатели. Поэтому помеховые воздействия будут некоррелированными, что исключает возможность компенсации некоррелированных помех методами их корреляционной автокомпенсации.

Задача, на решение которой направлено заявленное изобретение, заключается в разработке лазерно-интерферометрического ГВ-детектора, обеспечивающего генерацию встречных оптических излучений в резонаторах в зоне захвата частот и позволяющего измерять малые разности фазовых модуляций, возникающих в результате ГВ-воздействия, в условиях наличия мощных внешних помех, то есть достижение технического результата - повышение помехозащищенности устройства.

В то же время в технике известен [4] лазерный гироскоп для измерения угловой скорости вращения. Он содержит активную среду для генерации оптического излучения, первое и второе глухие зеркала, выходное полупрозрачное зеркало с плоской дифракционной решеткой на внешней стороне, первую и вторую дифракционные решетки с возможностью отражения падающих лучей под углом, отличным от угла падения, первый и второй поляризаторы с взаимно ортогональными плоскостями пропускания, фотоприемную систему и преобразователь поляризации, расположенный между выходным полупрозрачным зеркалом и фотоприемной системой. Первая отражательная дифракционная решетка расположена между глухими зеркалами, а вторая отражательная дифракционная решетка - между вторым глухим и выходным полупрозрачным зеркалом. Первый поляризатор расположен между первой отражательной дифракционной решеткой и вторым глухим зеркалом, а второй поляризатор - между первой отражательной дифракционной решеткой и выходным полупрозрачным зеркалом. Оба глухих зеркала, выходное полупрозрачное зеркало и обе отражательные дифракционные решетки размещены в вершинах правильного пятиугольника, а активная среда расположена между первым глухим и выходным полупрозрачным зеркалом. Плоскости пропускания первого и второго поляризаторов взаимно ортогональны.

В гироскопе образованы два резонансных контура. Первый резонансный контур - активная среда, первое глухое зеркало, первая дифракционная решетка, первый поляризатор, второе глухое зеркало, вторая дифракционная решетка и выходное полупрозрачное зеркало. Второй резонансный контур - активная среда, первое глухое зеркало, первая дифракционная решетка, второй поляризатор, выходное полупрозрачное зеркало, второе глухое зеркало, первое глухое зеркало, вторая дифракционная решетка и выходное полупрозрачное зеркало. В каждом контуре в одном направлении распространяется по световому лучу, которые имеют ортогональные поляризации и разные частоты генерации, что обеспечивает узкую полосу синхронизации (т.е. возможность работы вне зоны захвата частот) и приводит к повышению чувствительности гироскопа. Оба луча собираются дифракционной решеткой, установленной на внешней стороне выходного полупрозрачного зеркала, проходят через преобразователь поляризации, который совмещает плоскости поляризации обоих лучей, и затем подаются на фотоприемную систему. При этом на входе фотоприемной системы образуется интерференционное поле, характеризуемое последовательностью интерференционных полос, число и скорость перемещения которых определяется разносностью частот световых волн. С помощью фотоприемной системы измеряется скорость прохождения максимумов интенсивности интерференционной картины, по которой и судят о скорости углового вращения лазерного гироскопа и ее вариаций. Таким образом, лазерный гироскоп [4] , работающий вне зоны захвата частот, обеспечивает частотно-разностный метод измерения угловой скорости вращения.

Любой лазерный гироскоп, в том числе и рассматриваемый нами, позволяет измерять угловую скорость вращения или вариацию угловой скорости только при условии, что сам лазерный гироскоп принимает участие в этом вращении. Если он во вращении не участвует, то его угловая скорость равна нулю и интерференционная картина будет неподвижной [5]. В случае же использования лазерного гироскопа как ГВ-детектора устройство обязано быть неподвижным, поскольку в этом случае сдвиг интерференционных полос, вызванный вращением, будет маскировать основной эффект - сдвиг интерференционных полос, вызванный ГВ-воздействием.

Анализ работы лазерного гироскопа [4], проведенный нами, показал, что, во-первых, его резонаторы по отношению к обнаруживаемому ГВ-сигналу имеют как геометрическую, так и пространственную неэквивалентность, а, во-вторых, что возможен режим работы лазерного гироскопа внутри зоны синхронизации при встречном распространении генерируемых в резонаторах волн. Первое обстоятельство дает возможность в предлагаемом ГВ-детекторе использовать новое физическое явление непосредственного воздействия гравитационного поля на лазерный луч, о котором было упомянуто раньше. Прямое воздействие ГВ-сигнала на встречно распространяющиеся оптические излучения обоих резонаторов через изменение показателей преломления вдоль оптических путей распространения излучения приводит к ненулевой разности фаз в оптических излучениях по закону изменения ГВ-сигнала. То обстоятельство, что лазерный гироскоп имеет не только общую активную среду для генерации оптического излучения в обоих резонаторах, но и общие отражатели в резонаторах, позволяет обеспечить генерацию внутри зоны захвата частот, т.е. равенство частот встречно распространяющихся оптических излучений, что, свою очередь, обеспечивает фазоразностный метод регистрации, необходимый при детектировании ГВ-сигнала.

Крайне важно, что в отличие от двухплечевого детектора [3] для обнаружения периодических низкочастотных ГВ-сигналов от двойных астрофизических объектов в данном ГВ-детекторе наличие общих отражателей в резонаторах приводит к коррелированности внешних помеховых воздействий, а следовательно, к возможности использования методов корреляционной автокомпенсациии этих помеховых воздействий. Тем самым, в предлагаемом ГВ-детекторе устранены оба существенных недостатка двухплечового ГВ-детектора [3].

Таким образом, сущность изобретения заключается в применении двухрезонаторного с геометрически неэквивалентными контурами с общими отражательными элементами лазерного гироскопа пятиугольной конфигурации при его работе в режиме синхронизации встречных волн в качестве гравитационно-волнового детектора низкочастотного периодического излучения от двойных релятивистских астрофизических объектов.

Оптическая схема устройства приведена на чертеже. Активная среда 1, служащая для генерации лазерного излучения, расположена между первым глухим зеркалом 2 и выходным полупрозрачным зеркалом 8, на внешней (обратной) стороне которого нанесена плоская дифракционная решетка. Первая отражательная дифракционная решетка 3 расположена между первым глухим зеркалом 2 и вторым глухим зеркалом 6. Вторая отражательная дифракционная решетка 7 расположена между вторым глухим зеркалом 6 и выходным полупрозрачным зеркалом 8. Между первой отражательной дифракционной решеткой 3 и вторым глухим зеркалом 6 расположен поляризатор 4, а между первой отражательной дифракционной решеткой 3 и внутренней поверхностью выходного полупрозрачного зеркала 8, расположен поляризатор 5, при этом зеркала 2, 6 и 8, отражательные дифракционные решетки 3 и 7 расположены в вершинах правильного пятиугольника. Между внешней поверхностью выходного полупрозрачного зеркала 8 и фотоприемной системой 10 расположен поляризатор 9. Ход оптических лучей в устройстве показан на чертеже стрелками. Выходом устройства является выход фотоприемной системы.

Устройство работает следующим образом. Оптическое излучение с полным набором поляризаций, выходя из активной среды 1, отражается от зеркала 2, попадает на отражательную дифракционную решетку 3, которая 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 из элементов 1, 2, 3, 4, 6, 7 и 8. Другая часть излучения с ТЕ поляризацией, ортогональной ТМ поляризации, для которой угол отражения от дифракционной решетки 3 не равен углу падения на нее, циркулирует по внутреннему контуру составного резонатора, образованного элементами 1, 2, 3, 5, 8, 6, 2, 7, 8. При этом отражательная дифракционная решетка 7 имеет те же свойства, что и решетка 3.

Поляризатор 4 внешнего контура и поляризатор 5 внутреннего контура "вычищают" оптическое излучение во внешнем и внутреннем контурах от излучения с "неправильной" поляризацией и пропускают далее себя только то излучение, которое обладает строго требуемой поляризацией. Поляризатор 9 совмещает плоскости поляризации излучений, генерируемых в резонаторах, для образования интерференционного поля на входе фотоприемной системы. Несмотря на то, что оптическая длина светового пути в двух контурах резонатора разная, принадлежность активной среды 1 обоим резонаторам позволяет при настройке оптической части схемы (лазерной системы) путем, например, перемещения зеркала 6 или подбирая оптическую толщину поляризаторов 4 или 5, обеспечить работу в зоне захвата (равенства генерируемых частот в резонаторах), а следовательно, и работу в режиме встречных оптических излучений. Разность фаз встречных оптических излучений в резонаторах в режиме синхронизации, оцененная по методике [3], равна

где k_гвд= 0,236 - коэффициент детектирования, обусловленный геометрической конфигурацией внешнего и внутреннего резона торов;
h, ω_g, Φ_o - безразмерная амплитуда, частота и начальная фаза детектируемого ГВ-сигнала;
Φ₁= arccos(ω_g/M) - сдвиг фазы ГВ-сигнала в лазерной системе.

ω_o - частота оптического излучения;
- собственные частоты внешнего и внутреннего резонаторов соответственно,
ν_o - ширина полосы синхронизации.

Полезный детектируемый ГВ-сигнал на выходе фотоприемной системы 10 будет определяться выражением:
u_вых(t) = k_фс•ΔΦ(t),
где k_фс - коэффициент преобразования оптического излучения на входе фотоприемной системы 10 в выходное напряжение u_вых(t).

Таким образом, лазерный гироскоп [3] , предназначенный для измерения угловой скорости вращения, в силу геометрической неэквивалентности его резонаторов, обусловленной поляризационной развязкой их оптических излучений при его работе в режиме синхронизации встречных волн, обеспечивает наличие ненулевой разности фаз, вызванной воздействием ГВ-сигнала на встречно распространяющиеся оптические излучения и, следовательно, может быть применен в качестве ГВ-детектора.

Источники информации
1. Милюков В. К. , Руденко В.Н.// Итоги науки и техник 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. Балакин А. Б. , Кисунько Г.В., Мурзаханов 3.Г.// ДАН СССР, 1991, т. 319, N 5, с 1137-1140.

4. Балакин А. Б., Даишев Р.А., Мурзаханов 3.Г., Скочилов А.Ф. Лазерный гироскоп. Патент N 2117251 по заявке N 97107217 от 6 мая 1997 г.

5. Бычков С. И., Лукьянов Д.П., Бакаляр А.И., Лазерный гироскоп, - М.: Сов.радио, 1975, 425 с.

Использование: в гравитационно-волновой астрономии для обнаружения низкочастотных периодических гравитационно-волновых сигналов от двойных релятивистских астрофизических объектов. Сущность изобретения заключается в применении двухрезонаторного с геометрически неэквивалентными контурами с общими отражательными элементами лазерного гироскопа пятиугольной конфигурации при его работе в режиме синхронизации встречных волн в качестве гравитационно-волнового детектора низкочастотного периодического излучения от двойных релятивистских астрофизических объектов. Технический результат: повышение помехозащищенности. 1 ил.

Применение лазерного гироскопа пятиугольной конфигурации на основе двухрезонаторной с геометрически неэквивалентными контурами с общими отражательными элементами лазерной системы в качестве гравитационно-волнового детектора низкочастотного периодического гравитационного излучения от двойных релятивистских астрофизических объектов.