[发明专利]测量空间距离变化的激光干涉仪

说明书

技术领域

本发明涉及一种测量空间距离变化的激光干涉仪，具体为使用凹镜的微小转动探测一定频率范围内空间尺度变化的激光干涉仪，尤其适用于对高频率位置变化的高精度测量。

背景技术

目前，基于激光干涉的高精度测量技术发展，人们已经能在约10^-15米的量级(相当于原子核大小)测量物体的微小位置变化。如最近的激光干涉仪引力波天文台Advanced Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory(LIGO)报导了首次关于引力波的直接测量，测量到的引力波信号振幅达10^-21，(激光干涉仪臂长4千米)相当于4×10^-18米的位置移动(引力波信号振幅×臂长)[Abbott2016]。LIGO的基本原理是利用测试质量(反射镜)的相对于激光注入方向的水平和垂直方向位移的变化来探测空间距离的形变[LIGO2014]。此外，LIGO或类似仪器(如VIRGO，GEO600，LCGT，KAGRA等等)主要探测频率在10-1000赫兹的空间距离变动，而且干涉仪臂长较长，达4千米。

其他方法和技术在高频空间距离的探测上也有应用，如Goryachev&Tobar在2014年展示了可以用几厘米大小的压电石英体声波谐振器来探测1兆赫兹以上空间距离改变，Arvanitaki等在2013年展示了使用单臂激光谐振腔约束一个纳米量级的微小球体或盘状物体，然后通过测量该微小物体的位置变化来探测空间距离变化。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提出一种较小型仪器，10米到100米量级，用来探测高频(在100千赫兹到500千赫兹)的空间距离改变(或反射镜位置变化)。和其他技术的不同之处在于，我们通过激光腔内反射镜的位置变动引起的高阶激光模式和激光基模的差频信号来探测空间位置变动。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

技术方案：1.激光腔内反射镜的转动可以引起和加强激光腔内的横模(如TEM10)光强。由此产生的TEM10模和注入激光腔的纯TEM00模激光的差频信号可以被用来探测反射镜的转动。探测频率由激光腔内的TEM00模和TEM10模的差频决定。

2.如果在宇宙空间有引力波信号产生并传播到地球，由引力波的交叉偏振引起的力矩会作用在本发明的仪器上，引起激光腔内反射镜的转动，利用1中的方法可以用来探测引力波的强度。探测的引力波主要为10⁵-10⁶赫兹频段。

3.探测频率可调：通过调节照射在干涉仪激光腔内反射镜上的二氧化碳激光功率，进而改变反射镜的曲率半径，本发明仪器的探测频率可以在100千赫兹到500千赫兹间调整。探测的频带带宽由激光腔内TEM10模的带宽决定，在当前设计中约为几百Hz。

采用上述结构设置的测量空间距离变化的激光干涉仪具有以下优点：

探测方法新颖，操作简单，探测频率可调；可以测量很微小的反射镜转动(可达10^-19度)，包括水平方向的转动和竖直方向的转动，探测由此转动对应的引力波振幅最小可达为10^-21。

本发明是一种较小型仪器，10米到100米量级，用来探测高频(在100千赫兹到500千赫兹)的空间距离改变(或反射镜位置变化)。和其他技术的不同之处在于，我们通过激光腔内反射镜的位置变动引起的高阶激光模式和激光基模的差频信号来探测空间位置变动。

附图说明

图1为本发明的结构和光路示意图；

图2为本发明实验参数选取数据表；

图3为理论分析和部分实验获得的仪器灵敏度；

图4为锁腔技术流程图。

图1中：ND:YAG Laser-1064nm ND:YAG激光器；λ/2-半波片；Faraday Isolator–法拉第隔离器；EOM–电光相位调制器；LO–本地振荡器(10MHz,600kHz)；Mode cleaner–模式过滤器；LF–低通滤波器；HVA–高压放大器；Mixer–混频器；PD–光电探测器；Quadrant PD–象限四分仪光电探测器；BS–分光镜；DA–数据采集系统；Mirror–凹镜；Cavity–激光腔。图中由BS连接至DA的线路传输TEM00模激光转换后的电信号。