专利名称：引力波探测装置的制作方法
技术领域：
本发明属于光测量技术领域。
背景技术：
引力波是广义相对论预言的一种时空曲率波动传播的现象。由于引力波的波源距离太阳系都很遥远，投射到地球的引力波一般都极其微弱。引力波的直接探测在实验上有很高难度微弱的被测对象对探测仪器的灵敏度提出很高要求。至今尚没有引力波被观测到的直接证据。目前已建造了两类探测器探测引力波，共振质量探测器和激光干涉仪探测器。
共振质量探测器利用共振质量与引力波的共振来探测引力波，文献M.Bassan Resonant gravitational wave detectorsa progress report，Class.Quantum Grav.11，A39(1994)和J.Weber，Detection and generation ofgravitational waves，Phys.Rev.117，307(1960)有所反映。常见的一种共振质量探测器是Joseph Weber发明的铝棒，或称为Weber棒，其形状为圆柱形，长153厘米，直径66厘米，重量为1.4吨，铝棒用金属丝悬挂于真空中，并在机械上与周围隔开。围绕棒的中央加上压电应变换能器，把它接入对棒的基频振动模式敏感的电路。当引力波击中棒的侧面时，波带来的相对加速度将激发棒的基频模式，再由压电应变换能器转化为可记录的电信号。共振质量探测器的优点是它利用共振质量与引力波的共振来放大引力波信号，若共振棒的品质因数为Q，则引力波信号信号可放大Q倍，一般Q约为106量级。缺点是由于共振效应，它只对共振频率有最好的检测灵敏度，同时共振效应使得共振棒的长度受到限制，共振棒的长度只能取声波波长的一半。
激光干涉仪探测器实质上是利用迈克尔逊干涉仪探测引力波，参见参考文献A.Abramovici，W E.Althouse，R.W R.Drever，et al，LIGOThe Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory，Science 256，325(1992)；Fundamentals of interferometric gravitational wave detectors，Editedby P. R.Saulson.1994，by World Scientific Publishing Co.Pte.Ltd.和J.Sylvestre，M.Tinto，Noise characterization for LISA，Phys.Rev.D 68，102002(2003)。在两个相互垂直的臂的端点处，用丝悬挂四个检验质量。引力波作用在检验质量上使其产生相对运动，再由迈克尔逊干涉仪对这一相对运动进行检测。由于引力波很微弱，一般要求迈克尔逊干涉仪的臂长很长。如美国的IGO计划，其臂长为4公里，欧洲的VIRGO计划，其臂长为3公里。激光干涉仪探测器的优点是它的干涉仪的臂长可以做得很长，并且在通过光路的来回折叠增加光程，从而提高探测引力波的灵敏度。缺点是它没有共振质量作为载体，因而没有利用共振效应来放大引力波信号，另外，光路的来回折叠对激光光源的功率要求很高，整个装置太大也影响了系统工作的稳定性。

发明内容
本发明提供一种引力波探测装置，以综合前述两种探测器的优点，既利用共振质量的共振效应来放大引力波信号，又利用光学的方法延长光路来放大引力波信号，以提高探测引力波的灵敏度。
本发明的一种引力波探测装置，包括共振棒和光学器件，其特征在于(1)两个共振棒均为石英柱体、各自独立地用弦丝通过其中心水平悬挂，它们的中轴线相互垂直；(2)对应于两个共振棒，将光纤平分为两段，每段再折叠为N小段，1,000≤N≤1,000,000，沿共振棒的轴线方向缠绕并固定在共振棒上，或者沿共振棒的轴线置于共振棒内，两个共振棒上光纤的端点通过光学器件连接，整个光纤形成封闭环路。
所述的引力波探测装置，其进一步特征在于所述共振棒为圆柱体，其长为L、0.5米≤L≤20米，其直径为D、0.1米≤D≤5米；所述光纤长为S，直径为d、1微米≤d≤200微米，S≥2NL。
所述的引力波探测装置，其更进一步的特征在于所述共振棒与光纤材质相同，独立地悬挂在隔振的且具有一定真空度的封闭容器之中。
在本发明中，两个共振棒水平悬挂，它们的中轴线相互垂直。对于已知波源的引力波，选择中轴线的指向使共振棒可以具有最大的引力波吸收截面。为了提高探测器的灵敏度，每一个共振棒可以独立地悬挂在隔振的且具有一定真空度的封闭容器之中。探测器的两个共振棒相互独立，每个共振棒处在悬挂状态。共振棒与附着其上的光纤一同与引力波共振，与现在的共振天线有相同的力学性质，周期地伸长、缩短，从而改变在光纤上运行的光脉冲的速率。光脉冲(包括光孤子)可以在光纤中运行，其周期要求与所探测的引力波周期相同。光学器件用以保持光脉冲稳定运行，以及测量光脉冲运行。测量相差半个周期的两个光脉冲的运行时间差，就可以探测引力波。
本发明引力波探测装置中，折叠的光纤可看作一个弹性体。引力波的潮汐力作用于弹性体，使之作受迫振动，周期地伸长或缩短，在这种光纤中运行的光信号的运行时间会因此发生改变。光纤长度变化改变光信号的光延迟这种特性，被广泛地运用于光纤传感器。在连续引力波的作用下，光纤将不断伸长或缩短。光信号或光脉冲在光纤中以群速度运行。由于光纤中光脉冲的群速度与声速有很大的差别，因而折叠光纤引力波探测装置可综合两种探测器的优点，既利用共振质量的共振效应来放大引力波信号，又利用光学的方法延长光路来放大引力波信号，以提高探测引力波的灵敏度。
这种设计的优点(1)保留了共振质量探测器的优点，共振棒与附着其上的光纤一起作为共振质量，利用共振效应将引力波信号放大Q倍。(2)保留了激光干涉仪探测器的优点，利用光纤折叠来增强探测引力波的能力，进一步放大引力波信号，并且由于光脉冲在光纤中几乎无限地运行可以极大地增长光信号运行的光程，积累共振棒对引力波对响应。这可以极大地提高探测引力波的灵敏度。


图1为本发明一种实施装置俯视示意图，图2为图1的正面视图。
具体实施例方式
图1和图2中，共振棒1上具有光纤2，通过弦丝3悬挂，图中圆圈表示各种光学器件，包括放大器，干涉仪，光脉冲注入，以及光脉冲的计时检测。箭头表示光脉冲信号。
以典型的参数取值为例取两个与光纤2材质相同的石英圆柱体作共振棒1。圆柱体的长L＝2米，直径D＝0.5米，再取一个长为S＝200公里，直径d＝8微米的光纤。将光纤平分为两段；每段再折叠为N＝5万小段，并沿共振棒的轴线方向置于共振棒上内，或依附在共振棒的表面。光纤的端点通过光学器件连接起来，整个长为S的光纤形成一个封闭的环路。光脉冲在光纤环路中的运行周期即为引力波的周期。对应于两个共振棒，每个共振棒与附着于其上的N小段光纤作为一个整体。通过光学器件将光纤连成一个封闭的环路。光脉冲(包括光孤子)可以在光纤中运行，光学器件用以保持光脉冲稳定运行用，以及测量光脉冲运行。再将两个共振棒水平悬挂，使它们的中轴线相互垂直。为了提高探测器的灵敏度，每一个共振棒可以独立地悬挂在隔振的且真空度小于10-10个大气压的封闭容器之中。
本发明共振棒和光纤参数取值的极端情况可以为L＝20米，D＝5米，d＝1微米，N＝1,000,000；共振棒和光纤参数取值的另一极端情况可以为L＝0.5米，D＝0.1米，d＝200微米，N＝1,000。
共振棒与附着其上的光纤一同与引力波共振，周期地伸长、缩短。实验时先将一个光脉冲注入光纤，当共振棒处在伸长状态，光纤也被伸长，其上运行的光脉冲的运行时间发生延迟。同样地，共振棒处在缩短状态，光脉冲的运行时间将缩短。光脉冲在半周期内一直在一个共振棒上的光纤中运行，其运行时间的改变是经过每小段时的改变的积累。经过半个周期后，再将另一个光脉冲注入光纤。每个光脉冲运行一段时间后可以积累足够被测量出来的运行时间变化。测量这两个光脉冲的运行时间差，就可以反映可能的连续引力波的存在。
权利要求
1.一种引力波探测装置，包括共振棒和光学器件，其特征在于(1)两个共振棒均为石英柱体、各自独立地用弦丝通过其中心水平悬挂，它们的中轴线相互垂直；(2)对应于两个共振棒，将光纤平分为两段，每段再折叠为N小段，1,000≤N≤1,000,000，沿共振棒的轴线方向缠绕并固定在共振棒上，或者沿共振棒的轴线置于共振棒内，两个共振棒上光纤的端点通过光学器件连接，整个光纤形成封闭环路。
2.权利要求1所述的引力波探测装置，其特征在于所述共振棒为圆柱体，其长为L、0.5米≤L≤20米，其直径为D、0.1米≤D≤5米；所述光纤长为S，直径为d、1微米≤d≤200微米，S≥2NL。
3.权利要求1或2所述的引力波探测装置，其特征在于所述共振棒与光纤材质相同，独立地悬挂在隔振的且具有一定真空度的封闭容器之中。
全文摘要
引力波探测装置，属于光测量技术领域，既利用共振效应又利用延长光路来放大引力波信号，以提高探测引力波的灵敏度。本发明两个共振棒各自独立地用弦丝通过其中心水平悬挂，它们的中轴线相互垂直；对应于两个共振棒，将光纤平分为两段，每段再折叠为N小段，1,000≤N≤1,000,000，并沿共振棒的轴线方向缠绕并固定在共振棒上，或者沿共振棒的轴线置于共振棒内，两个共振棒上光纤的端点通过光学器件连接，整个光纤形成封闭环路。共振棒与其上的光纤一起作为共振质量，利用共振效应将引力波信号放大Q倍；同时利用光纤折叠极大地增长光信号运行的光程，积累共振棒对引力波的响应来增强探测引力波的能力，进一步放大引力波信号，极大地提高探测灵敏度。
文档编号G01V7/00GK1558255SQ200410012718
公开日2004年12月29日 申请日期2004年2月11日 优先权日2004年2月11日
发明者罗俊, 刘中柱, 俊 罗 申请人:华中科技大学