Гравитационно-волновой детектор

Изобретение относится к лазерно-интерферометрическим гравитационно-волновым (ГВ) детекторам и может быть использовано для обнаружения низкочастотных периодических ГВ-сигналов от двойных релятивистских астрофизических объектов. Согласно изобретению, гравитационно-волновой детектор содержит активный элемент с рабочей средой, три глухих зеркала, два полупрозрачных разделительных зеркала и фотоприемник с блоком обработки сигнала, который является выходом ГВ-детектора. Эти элементы образуют два оптических резонатора бегущих волн. Особенность изобретения заключается в том, что в состав оптических резонаторов введены поляризаторы, в состав второго резонатора введены дополнительные три глухих зеркала. Расстояния между элементами резонаторов выбраны из условия равенства оптических длин резонаторов, причем обеспечена взаимно ортогональная поляризация их излучений, а угол между падающим и отраженным от второго полупрозрачного разделительного зеркала оптическим излучением меньше 45 градусов. При этом обеспечивается реакция ГВ-детектора на гравитационное излучение только с вектором горизонтальной поляризации, параллельным трем дополнительно введенным глухим зеркалам. Благодаря этому может быть обеспечена пеленгация астрофизического релятивистского источника низкочастотного гравитационного излучения. 1 ил.

 

Изобретение относится к лазерно-интерферометрическим гравитационно-волновым (ГВ) детекторам и может быть использовано в гравитационно-волновой астрономии, например, для обнаружения периодических низкочастотных ГВ-сигналов от двойных релятивистских 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 13. Кроме того, существуют ГВ-детекторы [3, 4], принцип действия которых заключается в том, что в результате ГВ-воздействия детектируемого периодического низкочастотного ГВ-сигнала на оптическое излучение первого и второго оптических резонаторов (как бегущих, так и стоячих 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 первого и второго 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, указанные устройства [3, 4] имеют принципиальную возможность по обнаружению периодических низкочастотных ГВ-сигналов от двойных релятивистских астрофизических объектов. Но устройства [3, 4] не имеют возможность использования информации об угловом положении источника гравитационного излучения.

Известен [5] двухрезонаторный кольцевой оптический генератор бегущих волн, который является наиболее близким к заявляемому объекту и поэтому выбран в качестве прототипа. Он представляет собой лазер с первым и вторым оптическими резонаторами бегущих волн. Первый резонатор образован первым глухим зеркалом, первым и вторым полупрозрачными зеркалами и активным элементом с рабочей средой в нем. Второй резонатор образован первым, вторым и третьим глухими зеркалами и активным элементом с рабочей средой. Оптические излучения обоих резонаторов с выхода второго разделительного полупрозрачного зеркала поступают на вход фотоприемника (фотодетектора) и далее в блок обработки сигналов, предназначенный для выделения полезного сигнала из суммы.

Однако прототип не имеет возможности использования информации об угловом (пространственном) положении детектируемого источника ГВ-сигнала относительно ГВ-детектора и информации о том, что детектируемый ГВ-сигнал имеет вертикальную и горизонтальную поляризацию. Кроме того, даже имея информацию об угловом положении источника ГВ-сигнала, прототип не имеет возможности запеленговать этот источник.

Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в разработке ГВ-детектора, позволяющего использовать ГВ-детектор как ГВ-пеленгатор для определения относительно ГВ-детектора углового направления на источник ГИ от двойных релятивистских астрофизических объектов.

Сущность изобретения заключается в том, что в двухрезонаторный кольцевой оптический генератор бегущих волн, содержащий активный элемент и рабочую среду в нем, первое, второе и третье глухие зеркала, первое и второе полупрозрачные разделительные зеркала, фотоприемник с блоком обработки сигналов на его выходе, причем размещенные на пути оптического излучения первое глухое зеркало, первое и второе полупрозрачные разделительные зеркала и активный элемент с рабочей средой являются элементами резонатора первого кольцевого оптического генератора бегущих волн, а размещенные на пути оптического излучения первое, второе и третье глухие зеркала и активная среда являются элементами резонатора второго кольцевого оптического генератора бегущих волн, для решения поставленной задачи в состав первого резонатора между первым и вторым полупрозрачными разделительными зеркалами введен первый поляризатор, в состав второго резонатора между вторым и третьим глухими зеркалами введены последовательно расположенные второй поляризатор, параллельно размещенные между собой первое, второе и третье дополнительные глухие зеркала, причем геометрическая длина между первым полупрозрачным разделительным зеркалом и вторым глухим зеркалом равна геометрической длине между вторым полупрозрачным разделительным зеркалом и третьим глухим зеркалом, геометрическая длина между вторым глухим зеркалом и первым дополнительным глухим зеркалом равна геометрической длине между третьим глухим зеркалом и третьим дополнительным глухим зеркалом, а сумма геометрических длин между первым полупрозрачным разделительным зеркалом, вторым глухим зеркалом и первым дополнительным глухим зеркалом, между вторым полупрозрачным разделительным зеркалом, третьим глухим зеркалом и третьим дополнительным глухим зеркалом равна геометрической длине между первым и вторым полупрозрачными разделительными зеркалами, оптические излучения обоих резонаторов на взаимно ортогональных линейных поляризациях с выходов второго полупрозрачного разделительного зеркала через введенный линейный поляризатор поступают на вход фотоприемника, а угол между падающим оптическим излучением на второе полупрозрачное разделительное зеркало и отраженным от него оптическим излучением составляет меньше 45°, выходом заявляемого объекта является выход блока обработки сигналов.

Введение новых элементов: первого и второго поляризаторов, параллельно размещенных между собой первого, второго и третьего дополнительных глухих зеркал, линейного поляризатора и взаимное расположение элементов первого и второго кольцевых оптических резонаторов позволяет достичь решения поставленной задачи - обеспечить пеленгацию источников низкочастотного гравитационного излучения от двойных релятивистских астрофизических объектов с высокой вероятностью обнаружения и их однозначного отождествления.

В известном техническом решении не предусмотрены меры по использованию информации об угловом положении источника ГИ относительно ГВ-детектора и вектора поляризации детектируемой ГВ. В отличие от известного технического решения в заявляемом изобретении три дополнительных параллельно расположенных глухих зеркала только во втором резонаторе обеспечивают ГВ-воздействие детектируемого периодического низкочастотного ГВ-сигнала на оптическое излучение только второго оптического резонатора через изменение показателя преломления вдоль оптического пути распространения излучения только между тремя дополнительными глухими зеркалами, приводящее к набегу фаз по закону изменения детектируемого ГВ-сигнала от источника с известной угловой координатой с амплитудной модуляцией по закону вращения Земли, что и обеспечивает пеленгацию источника ГВ-сигнала.

Таким образом, в заявляемом ГВ-детекторе на основе двухрезонаторного кольцевого оптического генератора бегущих волн, содержащего активный элемент и рабочую среду в нем, после введения в первый резонатор между первым и вторым разделительными полупрозрачными зеркалами первого поляризатора (например, с ТМ-поляризацией), а после введения во второй резонатор между первым и вторым глухими зеркалами последовательно расположенного второго поляризатора (с ТЕ-поляризацией) и последовательно-параллельно размещенных первого, второго и третьего дополнительных глухих зеркал, а также линейного поляризатора на выходе второго разделительного полупрозрачного зеркала появляется возможность пеленгования источников низкочастотных гравитационно-волновых сигналов.

Функциональная схема заявляемого устройства представлена на фиг.1.

Активный элемент с рабочей средой в нем 1, служащий для генерации оптического излучения, расположен между первым глухим зеркалом 2 и третьим глухим зеркалом 11. По ходу отраженного от первого глухого зеркала 2 оптического излучения, исходящего из активной среды 1, последовательно расположены первое полупрозрачное разделительное зеркало 3, первый поляризатор 4 с ТМ-поляризацией, второе полупрозрачное разделительное зеркало 5 и образуют первый кольцевой резонатор. По ходу исходящего из активной среды 1 оптического излучения, отраженного от первого глухого зеркала 2, последовательно расположены второй поляризатор 6 с ТЕ-поляризацией, второе глухое зеркало 7, дополнительные взаимно последовательно-параллельно расположенные глухие зеркала 8, 9, 10, третье глухое зеркало 11, второе полупрозрачное разделительное зеркало 5 и образуют второй кольцевой резонатор. По ходу выходных оптических излучений первого и второго резонаторов из полупрозрачного разделительного зеркала 5 последовательно расположены линейный поляризатор 12, фотоприемник 13 и блок обработки сигнала 14.

Устройство работает следующим образом. Оптическое излучение с полным набором поляризаций, выходя из активной среды 1 и отражаясь от первого глухого зеркала 2, попадает на полупрозрачное разделительное зеркало 3. Часть оптического излучения, отражаясь от полупрозрачного разделительного зеркала 3, проходя через первый поляризатор 4 с ТМ-поляризацией и частично отражаясь от полупрозрачного разделительного зеркала 5, проходит через активную среду 1 и обеспечивает генерацию бегущей волны с ТМ-поляризацией. Другая часть оптического излучения, пройдя через полупрозрачное разделительное зеркало 3, проходя через второй поляризатор 6 с ТЕ-поляризацией, последовательно отражается от глухого зеркала 7, параллельно расположенных дополнительных глухих зеркал 8, 9, 10 и глухого зеркала 11, пройдя через полупрозрачное разделительное зеркало 5, проходит через активную среду 1, чем и обеспечивается генерация бегущей волны с ТЕ-поляризацией. Благодаря поляризаторам 4 и 6 происходит генерация оптических излучений на взаимно ортогональных линейных поляризациях в геометрически неэквивалентных первом и втором оптических резонаторах. Полупрозрачное разделительное зеркало 5 расположено так, чтобы угол γ между падающим на зеркало 5 и отраженным от него оптическим лучом был меньше 45°. Кроме того, геометрические длины между зеркалами удовлетворяют условиям:

где L₁ - длина оптического излучения (геометрическая длина) между первым полупрозрачным разделительным зеркалом 3 и вторым глухим зеркалом 7, L₂ - между вторым глухим зеркалом 7 и первым дополнительным глухим зеркалом 8, L₃ - между вторым разделительным полупрозрачным зеркалом 5 и третьим глухим зеркалом 11, L₄ - между третьим глухим зеркалом 11 и третьим глухим зеркалом 10, L₅ - между разделительными полупрозрачными зеркалами 3 и 5. Кроме того, учитывая, что сумма расстояний L₆ между зеркалами 5, 2 и 2, 3, является общей для обоих резонаторов и с учетом (1), следуют равенства геометрических длин первого и второго резонаторов (без учета отрезков оптического излучения между зеркалами 8, 9 и 10) и вытекает равенство оптических (геометрических) длин первого и второго резонаторов и геометрическая (пространственная) эквивалентность первого и второго резонаторов на этих оптических (геометрических) длинах первого и второго резонаторов. Поэтому диэлектрические проницаемости на этих оптических отрезках излучения первого и второго резонаторов в результате электродинамического отклика (и возможного эластодинамического отклика) на гравитационное излучение с любого пространственного направления будут равны и будут иметь одинаковый знак. Это приводит к равенству сдвигов частот первого и второго резонаторов Δν₁(t)=Δν₂(t), а следовательно, и к нулевому эффекту на выходе фотоприемника 13.

Будем иметь в виду одно важное обстоятельство [5]. Вертикальный вектор поляризации детектируемого ГИ при оптимальном пространственном выборе этого источника всегда параллелен зеркалам 8, 9 и 10, а параллельность горизонтального вектора поляризации ГИ зеркалам 8, 9 и 10 с учетом вращения Земли будет меняться как cosθ, где θ - величина угла, характеризующего отклонение от параллельности плоскости фронта детектируемого ГИ (параллельности горизонтального вектора поляризации к зеркалам 8, 9 и 10). Это в результате электродинамического отклика оптического излучения на ГИ (на детектируемый ГВ-сигнал) на участке длиной L₇ между зеркалами 8, 9 и 10 (изменение показателя преломления вдоль оптического пути между этими зеркалами) приведет к фазовой модуляции оптического излучения во втором резонаторе по закону изменения детектируемого ГВ-сигнала и к амплитудной модуляции выходного с фотоприемника 13 сигнала по закону вращения Земли. В определенный момент времени при вращении Земли плоскость фронта детектируемого ГВ-сигнала окажется параллельной к плоскостям параллельно размещенных зеркал 8, 9 и 10. По максимуму выходного сигнала с фотоприемника 13 и определяется угловое положение источника ГИ относительно зеркал 8, 9 и 10. Излучение первого и второго резонаторов, выходящее через общее разделительное полупрозрачное зеркало 5, после прохождения через линейный поляризатор 12, имеющего плоскость пропускания, наклоненную под углом 45° к электрическим векторам генерируемых излучений в первом и втором резонаторах, образует интерференционное поле, которое регистрируется фотоприемником 13.

Выходной сигнал с фотоприемника 13 (сдвиг частоты второго резонатора, обусловленный воздействием ГВ только на оптическое излучение между зеркалами 8, 9 и 10) будет определяться выражением

где Ω₁ - собственная частота второго резонатора в отсутствие ГИ, h - безразмерная амплитуда детектируемого ГВ-сигнала, Ω_g и φ_g - частота и начальная фаза ГВ-сигнала, α - угол падения оптического излучения на зеркала 8, 9 и 10, β - угол между вектором вертикальной поляризации ГВ-сигнала и зеркалами 8, 9 и 10.

Сигнал, определяемый выражением (2), далее поступает в блок обработки сигналов 14, где осуществляется совместная корреляционно-фильтровая обработка этого сигнала (включая внутрипериодную и межпериодную обработку), согласованного с ожидаемым ГВ-сигналом.

Из анализа (2) видно, что такие параметры гравитационного излучения, как детектируемая амплитуда h, его частота Ω_g и направление θ (с учетом вращение Земли) на источник излучения, а следовательно, и векторы поляризации известны. Неполная информация о величине h (только теоретически рассчитываемая) и отсутствие информации о начальной фазе φ_g устраняется путем сканирования по амплитуде h и фазе φ_g моделируемого ГВ-сигнала и используемого для дальнейшей корреляционно-фильтровой обработки выходного с фотоприемника 13 сигнала в блоке обработки 14.

Выбор источника ГВ определяет ориентацию установки ГВ-детектора. Плоскость стола (основание детектора) располагается горизонтально, зеркала резонатора закрепляются перпендикулярно к этой плоскости. Параллельно размещенные три зеркала рассматриваемого участка резонатора устанавливаются относительно местного меридиана таким образом, чтобы в момент пересечения источником плоскости математического горизонта в процессе вращения Земли плоскости зеркал были перпендикулярны к вектору направления на источник, а следовательно, вектор горизонтальной поляризации детектируемого ГИ будет параллелен этим зеркалам. Тогда отклик ГВ-детектора будет определяться, в основном, набегом фаз оптического излучения, вызванным изменением показателей преломления вдоль оптического пути между этими тремя дополнительными взаимно параллельными зеркалами (через пространственно-анизотропные изменения диэлектрической проницаемости вакуума), и приемная диаграмма направленности ГВ-детектора будет определяться только оптическим излучением между этими зеркалами. Дополнительная информация об источниках гравитационного излучения - частота, угловые координаты, векторы поляризации и время наступления максимальной амплитуды гравитационного излучения - существенно облегчит оптимальную обработку сигналов в блоке 14 с выхода фазового приемника 13.

Как известно [7], системы измерения угловых координат, иначе системы пеленгации, могут содержать один или несколько каналов. Одноканальные методы пеленгации при этом, как в нашем случае, основаны на использовании зависимости амплитуды принятого сигнала от разности углов между направлением максимума диаграммы направленности антенной системы и направлением прихода радиоволн от источника. В случае заявляемого устройства это разность углов между направлением на параллельно размещенные зеркала 8, 9 и 10 (максимум принимаемого ГВ-сигнала от источника) и направлением прихода ГВ-сигнала от источника, а ширина диаграммы направленности пеленгатора в горизонтальной плоскости будет определяться временем отклонения от параллельности горизонтального вектора поляризации ГИ зеркалам 8, 9 и 10 от θ=-90° до θ=90°.

Изменение выходного сигнала фотоприемника 13 по закону cosθ (2) со скоростью вращения Земли можно характеризовать как закон изменения диаграммы направленности ГВ-детектора в горизонтальной плоскости, а сам ГВ-детектор как ГВ-пеленгатор углового направления на источник низкочастотного ГИ от двойных релятивистских астрофизических объектов.

В связи с тем что в плоскости математического горизонта в процессе вращения Земли наличие источников низкочастотного гравитационного излучения на одинаковой частоте исключено, то даже при столь широкой диаграмме направленности рассматриваемого ГВ-пеленгатора разрешающая способность ГВ-пеленгатора по направлению будет определяться высокой разрешающей способностью по частоте.

Таким образом, заявляемое устройство выгодно отличается от прототипа тем, что введенные во второй резонатор элементы и взаимное их размещение, а также размещение элементов обоих резонаторов относительно друг друга, использование информации о пространственном положении источника детектируемого периодического ГВ-сигнала от двойных релятивистских астрофизических объектов, то есть информации о векторах поляризации детектируемых ГВ-сигналов, приводит к тому, что такой ГВ-детектор становится ГВ-пеленгатором для определения направления на источник гравитационного излучения.

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, №5, с.1122-1125.

3. Balakin А.В., Murzakhanov Z.G., Skochilov A.F. // Gravitation & Cosmology, 1997, Vol.3, N1(9), pp.71-81.

4. Балакин А.В., Кисунько Г.В., Мурзаханов З.Г., Скочилов А.Ф. // ДАН России, 1998, т.361, №4, с.477-480.

5. Бычков С.И., Лукьянов Д.П., Бакаляр А.И. Лазерный гироскоп. М.: Издательство «Советское радио» с.258-260.

6. Э.Амальди, Г.Пицелла. Поиск гравитационных волн // Астрофизика, кванты и теория относительности, стр.241-397. М., 1982.

7. Я.Д.Ширман и др. Теоретические основы радиолокации. М.: Изд. «Советское радио», 1970, 560 стр.

Гравитационно-волновой детектор, содержащий активный элемент и рабочую среду в нем, первое, второе и третье глухие зеркала, первое и второе полупрозрачные разделительные зеркала, фотоприемник с блоком обработки сигналов на его выходе, причем размещенные на пути оптического излучения первое глухое зеркало, первое и второе полупрозрачные разделительные зеркала и активный элемент с рабочей средой являются элементами резонатора первого кольцевого оптического генератора бегущих волн, а размещенные на пути оптического излучения первое, второе и третье глухие зеркала и активный элемент с рабочей средой являются элементами резонатора второго кольцевого оптического генератора бегущих волн, отличающийся тем, что в состав первого резонатора между первым и вторым полупрозрачными разделительными зеркалами введен первый поляризатор, в состав второго резонатора между вторым и третьим глухими зеркалами введены последовательно расположенные второй поляризатор, параллельно размещенные между собой первое, второе и третье дополнительные глухие зеркала, причем геометрическая длина между первым полупрозрачным разделительным зеркалом и вторым глухим зеркалом равна геометрической длине между вторым полупрозрачным разделительным зеркалом и третьим глухим зеркалом, геометрическая длина между вторым глухим зеркалом и первым дополнительным глухим зеркалом равна геометрической длине между третьим глухим зеркалом и третьим дополнительным глухим зеркалом, а сумма геометрических длин между первым полупрозрачным разделительным зеркалом, вторым глухим зеркалом и первым дополнительным глухим зеркалом, между вторым полупрозрачным разделительным зеркалом, третьим глухим зеркалом и третьим дополнительным глухим зеркалом равна геометрической длине между первым и вторым полупрозрачными разделительными зеркалами, оптические излучения обоих резонаторов на взаимно ортогональных линейных поляризациях с выходов второго полупрозрачного разделительного зеркала через введенный линейный поляризатор поступают на вход фотоприемника, а угол между падающим оптическим излучением на второе полупрозрачное разделительное зеркало и отраженным от него оптическим излучением составляет меньше 45°, выходом гравитационно-волнового детектора является выход блока обработки сигналов.