ГРАВИТАЦИОННО-ВОЛНОВОЙ ДЕТЕКТОР
GRAVITATIONAL WAVE DETECTOR

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.
Известен [5] ГВ-детектор для обнаружения периодических ГВ-сигналов, который является наиболее близким к заявляемому объекту и поэтому выбран в качестве прототипа. Он представляет собой лазер с двумя геометрически неэквивалентными первым и вторым оптическими резонаторами стоячих волн. Первый резонатор образован первым глухим зеркалом, активным элементом, полупрозрачным разделительным зеркалом, первым поляризатором и вторым глухим зеркалом, причем часть оптического пути резонатора от первого глухого зеркала до полупрозрачного разделительного зеркала перпендикулярна оптическому пути от полупрозрачного разделительного зеркала до второго глухого зеркала. Второй резонатор образован первым глухим зеркалом, активным элементом, полупрозрачным зеркалом, вторым поляризатором и третьим глухим зеркалом. Оптические излучения, генерируемые в первом и втором резонаторах, имеют взаимно ортогональные линейные поляризации. В силу пространственно-геометрической неэквивалентности первого и второго резонаторов прототипа принцип действия последнего аналогичен рассмотренному выше ГВ-детектору [3, 4]. Выходящее через полупрозрачное разделительное зеркало излучение первого и второго резонаторов гетеродинируется с помощью линейного поляризатора, имеющего плоскость пропускания, наклоненную под углом 45° к электрическим векторам генерируемых излучений. Сигнал биений регистрируется с помощью фотоприемника (фотодетектора) и поступает в блок обработки сигналов, предназначенный для выделения полезного сигнала из шума. Поскольку выходящие с полупрозрачного разделительного зеркала оптические излучения перпендикулярны (т.е. угол между ними более 45°), то электродинамический отклик ГВ-детектора на воздействие поля гравитационного излучения, приводящего к противоположному по знакам набегу фаз в оптических излучениях первого и второго резонаторов через изменение показателя преломления вдоль оптических путей взаимно ортогональных участков резонаторов будет иметь противоположный знак. Поэтому сигнал на выходе фотоприемника будет пропорционален сумме набегов фаз в оптических излучениях первого и второго резонаторов.
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 известный гравитационно-волновой детектор, содержащий активный элемент и рабочую среду в нем, первое, второе и третье глухие зеркала, полупрозрачное разделительное зеркало, первый и второй поляризаторы, линейный поляризатор, фотоприемник с блоком обработки сигналов на его выходе, причем размещенные на пути оптического излучения первое глухое зеркало, активный элемент, полупрозрачное разделительное зеркало, первый поляризатор и второе глухое зеркало являются элементами первого оптического резонатора стоячих волн, первое глухое зеркало, активный элемент, полупрозрачное разделительное зеркало, второй поляризатор с ортогональной поляризацией к первому поляризатору и третье глухое зеркало образуют второй оптический резонатор стоячих волн, а оптические излучения обоих резонаторов на взаимно ортогональных линейных поляризациях с выхода полупрозрачного разделительного зеркала через линейный поляризатор поступают на вход фотоприемника, для решения поставленной задачи в состав первого резонатора между полупрозрачным разделительным зеркалом и третьим глухим зеркалом введено дополнительное глухое зеркало, причем дополнительное глухое зеркало расположено параллельно разделительному полупрозрачному зеркалу, а длина оптического излучения от дополнительного глухого зеркала до третьего глухого зеркала равна длине оптического излучения от разделительного зеркала до второго глухого зеркала, выходом заявляемого объекта является выход блока обработки сигналов.
Введение нового элемента - дополнительного глухого зеркала, размещенного в первом резонаторе лазера, и параллельное размещение между собой полупрозрачного разделительного зеркала и дополнительного глухого зеркала позволяют достичь решения поставленной задачи - обеспечить пеленгацию источников низкочастотных гравитационных излучений от двойных релятивистских астрофизических объектов с высокой вероятностью обнаружения и их однозначное отождествление.
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 параллельное расположение между собой полупрозрачного разделительного зеркала и дополнительного глухого зеркала только в первом резонаторе обеспечивает ГВ-воздействие детектируемого периодического низкочастотного ГВ-сигнала на оптическое излучение только первого оптического резонатора через изменение показателя преломления вдоль оптического пути распространения излучения только между дополнительным глухим зеркалом и полупрозрачным разделительным зеркалом, приводящем 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 активного лазера стоячих волн с двумя резонаторами после введения в первый резонатор между полупрозрачным разделительным зеркалом и вторым глухим зеркалом дополнительное глухое зеркало, размещенное параллельно полупрозрачному разделительному зеркалу, появляется возможность пеленгования источников низкочастотных ГВ-сигналов.
Функциональная схема заявляемого устройства представлена на чертеже.
Активная среда 1, служащая для генерации лазерного излучения, расположена между первым глухим зеркалом 2 и полупрозрачным зеркалом 3. По ходу отраженного от полупрозрачного зеркала 3 оптического излучения, исходящего из активной среды 1, последовательно расположены первый поляризатор 4, дополнительное глухое зеркало 6, второе глухое зеркало 7 и образуют первый резонатор. По ходу прошедшего через разделительное зеркало 3 оптического излучения, исходящего из активной среды 1, последовательно расположены второй поляризатор 5, третье глухое зеркало 9 и образуют второй резонатор. По ходу прошедшего излучения первого резонатора через разделительное зеркало 3 и отраженного оптического излучения второго резонатора от разделительного зеркала 3 расположены последовательно линейный поляризатор 8, фотоприемник 10 и блок обработки сигналов 11.
Устройство работает следующим образом.
Оптическое излучение с полным набором поляризаций, выходя из активной среды 1, попадает на полупрозрачное разделительное зеркало 3. Часть оптического излучения с ТЕ-поляризацией, отражаясь от полупрозрачного разделительного зеркала 3, проходя через первый поляризатор 4, отражается от дополнительного зеркала 6 и автоколлимационно от второго глухого зеркала 7. После этого оптическое излучение, отраженное от зеркала 7, вновь последовательно отражаясь от дополнительного глухого зеркала 6, пройдя через первый поляризатор 4, частично отражаясь от полупрозрачного разделительного зеркала 3, проходит через активную среду 1 и автоколлимационно отражается от первого глухого зеркала 2, обеспечивая генерацию стоячей волны ТЕ-поляризации в первом резонаторе. Другая часть излучения с ТМ-поляризацией, проходя через полупрозрачное разделительное зеркало 3, второй поляризатор 5 с ТМ-поляризацией, автоколлимационно отражается от третьего глухого зеркала 9, после чего вновь проходит через второй поляризатор 5, разделительное зеркало 3, активную среду 1 и автоколлимационно отражается от первого глухого зеркала 2, обеспечивая генерацию стоячей волны ТМ-поляризации во втором резонаторе. Благодаря первому 4 и второму 5 поляризаторам происходит генерация оптических излучений на взаимно ортогональных линейных поляризациях в геометрически неэквивалентных первом и втором резонаторах. Полупрозрачное разделительное зеркало 3 размещается так, чтобы угол γ между падающим на зеркало 3 и отраженным от него оптическим лучом был равным или больше 90°. Кроме того, геометрические длины между зеркалами удовлетворяют условию:
1
2
где L - длина оптического излучения (геометрическая длина) между дополнительным глухим зеркалом 6 и глухим вторым зеркалом 7, L - между полупрозрачным зеркалом 3 и третьим глухим зеркалом 9.
1
2
1
2
Параллельное размещение зеркал 3 и 6 приводит к параллельности оптических излучений на длинах L и L. Поэтому общность оптических длин от второго до третьего зеркал первого и второго резонаторов и параллельности и равенство оптических длин L и L (без учета отрезка оптического излучения между зеркалами 3 и 6) приводит к тому, что отклики на гравитационное излучение с любого пространственного направления на оптические излучения первого и второго резонаторов будут равны и иметь одинаковый знак. Это приведет к нулевому эффекту на выходе фотоприемника 10.
Будем иметь в виду одно важное обстоятельство [6]. В определенный момент времени при вращении Земли плоскость фронта детектируемого ГВ-сигнала окажется параллельной плоскостям параллельно размещенных зеркал 3 и 6. При этом вертикальный вектор поляризации детектируемого ГИ при оптимальном пространственном выборе этого источника всегда параллелен зеркалам 3 и 6, а параллельность горизонтального вектора поляризации ГИ зеркалам 3 и 6 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 3 и 6). Это в результате электродинамического отклика оптического излучения на ГИ (на детектируемый ГВ-сигнал) на участке между зеркалами 3 и 6 (изменение показателя преломления вдоль оптического пути между этими зеркалами), приведет к фазовой модуляции оптического излучения в первом резонаторе по закону изменения детектируемого ГВ-сигнала и к амплитудной модуляции выходного с фотоприемника 10 сигнала по закону вращения Земли. По максимуму выходного сигнала с фотоприемника 10 и определяется угловое положение источника ГИ относительно зеркал 3 и 6. Излучение первого и второго резонаторов, выходящее через общее разделительное полупрозрачное зеркало 3, после прохождения через линейный поляризатор 8, имеющий плоскость пропускания, наклоненную под углом 45° к электрическим векторам генерируемых излучений в первом и втором резонаторах, образует интерференционное поле, которое регистрируется фотоприемником 10.
Выходной сигнал с фотоприемника 10 (сдвиг частоты первого резонатора, обусловленный воздействием ГВ только на оптическое излучение между зеркалами 3 и 6) будет определяться выражением
1
g
g
где Ω - собственная частота первого резонатора в отсутствие ГИ, h - безразмерная амплитуда детектируемого ГВ-сигнала, Ω и φ - частота и начальная фаза ГВ-сигнала, α - угол падения оптического излучения на зеркала 3 и 6, β - угол между вектором вертикальной поляризации ГВ-сигнала и зеркалами 3 и 6.
Сигнал, определяемый выражением (2), далее поступает в блок обработки сигналов 11, где осуществляется совместная корреляционно-фильтровая обработка этого сигнала (включая внутрипериодную и межпериодную обработку), согласованного с ожидаемым ГВ-сигналом.
g
g
g
Из анализа (2) видно, что такие параметры гравитационного излучения, как детектируемая амплитуда h, его частота Ω и направление θ (с учетом вращения 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 устраняется путем сканирования по амплитуде h и фазе φ моделируемого (имитируемого) в блоке БОС 11 ГВ-сигнала и используемого для корреляционно-фильтровой обработке в блоке 11.
Выбор источника ГВ определяет ориентацию установки ГВ-детектора. Плоскость стола (основание детектора) располагается горизонтально, зеркала резонатора закрепляются перпендикулярно к этой плоскости. Параллельно размещенные два 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, вызванном изменением показателей преломления вдоль оптического пути между этими 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 с выхода фазового приемника.
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 3 и 6 (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 3 и 6 от θ=-90° до θ=90°.
Изменение выходного сигнала фотоприемника 10 по закону cos θ (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 введенный в первый резонатор один элемент и взаимное его размещение с остальными элементами 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.Б., Кисунько Г.В., Мурзаханов З.Г., Скочилов А.Ф. // ДАН России, 1998, т.361, №4, с.477-480.
5. Scully M.O. and Gea-Banacloche J. // Phys. Rev., 1986, A 34, pp.4043-4054 (прототип).
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.