[发明专利]一种全光纤的引力波测量教学演示系统及演示方法

说明书

本发明提出了一种全光纤的引力波测量教学演示系统，信号发射模块发出的单色的频率稳定的入射激光，注入由耦合器、光开关、法拉第旋转镜、声波源、光纤线圈、隔音箱构成的臂长可调节的迈克尔逊干涉模块，获得干涉信号，并通过由光电探测器和信号分析与处理器所构成的信号采集与处理模块，实现干涉信号的测量、分析与处理。本发明还提出一种全光纤的引力波测量教学演示方法，通过臂长可调节的迈克逊干涉仪，实现干涉测量原理和引力波灵敏度与臂长关系的实验演示，打破了传统引力波测量教学演示仅形式上复原目前在用的测量系统，而缺乏原理性演示的设计。同时，本发明采用递进式教学，使用方便，实验效果直观，可广泛应用于物理实验教学实践中。

技术领域

本发明属于光学及测量技术领域，尤其涉及一种全光纤的引力波测量教学演示系统及方法。

背景技术

根据广义相对论，物质的存在会扭曲时空，产生引力。宇宙事件，例如宇宙大爆炸、不对称双星旋转以及超新星爆发等，都会导致附近时空结构扭曲而引起引力的涟漪，形成引力波。正因为如此，对引力波的测量与研究具有深远的科学意义。

目前国际上常用的引力波探测装置基本都是基于光学干涉仪的，其工作原理是将引力波引起的干涉臂的应力伸缩通过光传播路程差的变化转化为光的相位的变化，通过迈克尔逊干涉仪输出的干涉强度信号，提取出相位改变信息，进而测量出引力波应力强度信号。2016年，新一代LIGO系统aLIGO探测到宇宙超大质量双黑洞合并发出的引力信号，给出了引力波存在的有力实证。

根据国际上这一具有重大应用潜力的科学发现，本着与时俱进，紧跟时代潮流的科学发展观，如何将引力波测量这一前沿物理课题与本科生基础物理实验课程相结合是现今本科物理教学的一个重要发展方向。

传统的引力波测量教学演示系统通常会高度还原目前已经在用的LIGO进行展示，然而对于引力波的测量原理，如迈克逊干涉仪原理展示，以及灵敏度提高原理，如臂长与系统灵敏度的关系原理，均无明确的教学实验展示。

因此，本发明旨在提供一种教学演示系统和教学方法，将引力波测量原理和灵敏度提高原理通过实验装置进行演示。

发明内容

本发明提供了一种全光纤的引力波测量教学演示系统及方法，旨在将引力波测量这一前沿物理课题与本科生基础物理实验相结合，使得学生系统性由浅入深地了解并掌握引力波测量的原理及方法。为了实现上述目的，本发明提供了一种引力波测量教学演示系统及教学演示方法，技术方案如下：

一种全光纤的引力波测量教学演示系统，包括：相干光源、光开关(第一、第二、第三、第四光开关)、法拉第旋转镜(包括第一、第二法拉第旋转镜)、声波源(包括第一、第二、…、第n声波源)、光纤线圈(包括第一、第二、…、第n光纤线圈)、隔音箱(第一、第二、…、第n隔音箱)、光电探测器及信号分析与处理器。其中：

相干光源(1)用于产生入射光场，其可发出一束单色的频率稳定的入射激光；

耦合器(2)，用于光场的分束与合束；

光开关(3，4，5，6)，用于光路选择，实现干涉仪的不同臂长；

法拉第旋转镜(7，8)，用于实现光波的反射和光路中偏振衰落的抑制；

光纤线圈(a1,a2…,an,d1,d2,…,dn)，用于构成干涉仪的信号臂和参考臂；

声波源(b1,b2,…,bn)，用于模拟引力波；

隔音箱(c1,c2,…,cn，e)，用于屏蔽外界声音对演示系统的影响；

光电探测器(9)，用于实现引力波引起的干涉信号探测；

信号分析与处理器(10)，用于干涉信号的分析与处理，实现引力波测量。