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 гравитационно-волновых 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 низкочастных 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 частично пропускающим зеркалом, поляризационной разделительной призмой и глухим зеркалом, причем часть оптического пути резонатора от частично пропускающего зеркала до поляризационной разделительной призмы перпендикулярна оптическому пути от поляризационной разделительной призмы до глухого зеркала. Второй резонатор образован первым частично пропускающим зеркалом, поляризационной разделительной призмой и вторым частично пропускающим зеркалом. Оптические излучения, генерируемые в первом и втором резонаторах, имеют взаимно ортогональные линейные поляризации. В силу пространственной и геометрической неэквивалентности первого и второго резонаторов прототипа принцип действия последнего аналогичен рассмотренным выше ГВ-детекторам [3, 4]. В прототипе [5] оптическая ось второго резонатора совпадает с направлением распространения ГИ, поэтому этот резонатор является опорным, поскольку изменение показателя преломления из-за воздействия ГИ в этом резонаторе отсутствует. Первый резонатор является сигнальным, поскольку содержит участок, где происходит изменение показателя преломления из-за воздействия ГИ. Выходящие через первое частично пропускающее зеркало излучения первого и второго резонаторов гетеродинируются с помощью поляризатора, имеющего плоскость пропускания, наклоненную под углом 45° к электрическим векторам генерируемых излучений. Сигнал биений регистрируется с помощью фотодетектора и поступает в блок обработки сигналов, предназначенный для выделения полезного сигнала из шумов.
Однако прототип имеет существенный недостаток из-за того, что при изменении направления распространения ГИ опорный резонатор также становится чувствительным к ГИ, в результате чего амплитуда отклика ГВ-детектора уменьшается, а при некоторых направлениях детектируемого ГВ-сигнала воздействие ГИ на оба резонатора будет одинаковым, что приведет к нулевому отклику и сделает ГВ-детектор нечувствительным к ГИ.
Задача, на решение которой направлено заявленное изобретение, заключается в разработке гравитационно-волнового детектора, позволяющего сохранять опорный резонатор нечувствительным к воздействию ГИ при любом направлении распространения детектируемого ГВ-сигнала и, благодаря этому, иметь максимально возможную для данного направления амплитуду отклика ГВ-детектора.
Сущность изобретения заключается в том, что в известный гравитационно-волновой детектор, содержащий активный элемент и рабочую среду в нем, первое и второе частично пропускающие зеркала, глухое зеркало, поляризационную разделительную призму со взаимно ортогональными плоскостями пропускания, поляризатор и последовательно соединенные фотодетектор и систему обработки сигналов, являющуюся выходом устройства, для решения поставленной задачи введены ячейка с нелинейно поглощающим газом, пьезоэлемент, закрепленный на втором частично пропускающем зеркале, последовательно соединенные фотодетектор и система автоматической подстройки частоты, причем последовательно размещенные на пути оптического излучения первое частично пропускающее зеркало, активный элемент, поляризационная разделительная призма и первое глухое зеркало образуют первый (сигнальный) оптический резонатор стоячих волн, первое частично пропускающее зеркало, активный элемент, поляризационная разделительная призма, ячейка с нелинейно поглощающим газом и второе частично пропускающее зеркало образуют второй (опорный) оптический резонатор стоячих волн, а оптические излучения обоих резонаторов на взаимно ортогональных линейных поляризациях с выхода первого частично пропускающего зеркала через поляризатор, обеспечивающий их интерференцию, поступают на вход фотоприемника, соединенного с системой обработки сигналов, кроме того, оптическое излучение опорного резонатора с выхода второго частично пропускающего зеркала с закрепленным на нем пьезоэлементом поступает на последовательно соединенные фотодетектор и систему автоматической подстройки частоты.
Введение новых элементов: ячейки с нелинейно поглощающим газом, пьезоэлемента, закрепленного на втором частично пропускающем зеркале, последовательно соединенных фотодетектора и системы автоматической подстройки частоты (АПЧ), позволяет достичь решения поставленной задачи - обеспечение нечувствительности опорного резонатора к воздействию ГИ при произвольных направлениях детектируемого ГВ-сигнала.
В известном техническом решении не предусмотрены меры по обеспечению независимости частоты генерации опорного резонатора от воздействия ГИ при произвольных направлениях детектируемого ГВ-сигнала. В отличие от известного технического решения в заявляемом изобретении за счет привязки (с помощью системы АПЧ) частоты генерации опорного резонатора к нелинейному пику поглощения газа в ячейке обеспечивается независимость частоты генерации опорного резонатора от воздействия ГИ при произвольных направлениях детектируемого ГВ-сигнала.
Таким образом, в заявляемом ГВ-детекторе на основе лазера с двумя резонаторами (сигнальным и опорным) после введения ячейки с нелинейно поглощающим газом, пьезоэлемента, закрепленного на втором частично пропускающем зеркале, последовательно соединенных фотодетектора и системы АПЧ появляется возможность сделать опорный резонатор нечувствительным к воздействию ГИ при произвольных направлениях детектируемого ГВ-сигнала, что приведет к максимально возможной для данного направления амплитуде отклика ГВ-детектора и способности его детектировать ГВ-сигнал с любого направления.
Функциональная схема заявляемого устройства представлена на фиг.1.
Активная среда 1, служащая для генерации лазерного излучения, расположена между первым частично пропускающим зеркалом 2 и поляризационной разделительной призмой 3 (типа призмы Рошона или Сенармона). По ходу прошедшего без отклонения через поляризационную разделительную призму 3 оптического излучения, исходящего из активной среды 1, расположено глухое зеркало 4. По ходу прошедшего с отклонением через поляризационную разделительную призму 3 оптического излучения, исходящего из активной среды 1, расположены последовательно ячейка с нелинейно поглощающим газом 5 и второе частично пропускающее зеркало 6. По ходу отраженного от глухого зеркала 4 оптического излучения, прошедшего через поляризационную разделительную призму 3, активную среду 1 и частично пропускающее зеркало 2, расположены последовательно поляризатор 7, фотоприемник 8 и блок обработки сигналов 9. По ходу отраженного от первого частично пропускающего зеркала 2 оптического излучения, прошедшего через активную среду 1, поляризационную разделительную призму 3, ячейку с нелинейно поглощающим газом 5 и частично пропускающее зеркало 6, расположены последовательно пьезоэлемент 10, фотоприемник 11 и система АПЧ 12.
-22
00
S
R
Устройство работает следующим образом. Оптическое излучение с полным набором поляризаций, выходя из активной среды 1, попадает на поляризационную разделительную призму 3. Часть оптического излучения с ТЕ-поляризацией после прохода без отклонения через элемент 3 автоколлимационно отражается от первого глухого зеркала 4, после чего вновь проходит через элемент 3, активную среду 1 и автоколлимационно отражается от частично пропускающего зеркала 2, обеспечивая генерацию стоячей волны ТЕ-поляризации в первом (сигнальном) резонаторе. Другая часть излучения с ТМ-поляризацией после прохода с отклонением через элемент 3 и прохождения через ячейку с нелинейно поглощающим газом 5 автоколлимационно отражается от второго частично пропускающего зеркала 6, после чего вновь проходит через элементы 5, 3, 1 и автоколлимационно отражается от частично пропускающего зеркала 2, обеспечивая генерацию стоячей волны ТМ-поляризации во втором (опорном) резонаторе. Благодаря поляризационной разделительной призме 3 происходит генерация оптических излучений на взаимно ортогональных линейных поляризациях (ТЕ и ТМ) в сигнальном и опорном резонаторах. Гравитационное излучение по-разному воздействует на их частоты генерации. Согласно методике расчета собственных частот резонаторов в поле гравитационного излучения [3], частота генерации сигнального резонатора  будет содержать гравитационно-индуцированную добавку  к частоте  в отсутствие поля ГИ: , где θ и φ - углы, определяющие направление распространения оптического излучения относительно направления распространения ГИ,  и  - безразмерные амплитуды (≈10) двух главных независимых поляризаций гравитационной волны. Информация о спектральном составе излучения, выходящего из опорного резонатора через частично пропускающее зеркало 6 на вход фотодетектора 11, поступает после фотодетектора 11 в систему АПЧ 12, которая посредством воздействия на пьезоэлемент 10, закрепленный на зеркале 6, осуществляет привязку частоты генерации опорного резонатора к частоте  нелинейного резонанса поглощения молекул газа в ячейке 5. Частота  не подвержена влиянию поля ГИ, поскольку определяется в молекулах поглощающего газа параметрами электронного перехода, зависящего в произвольном гравитационном поле, описываемом метрическим тензором пространства-времени , только от компоненты g [6], которая не затрагивается полем ГИ. Таким образом, в разности частот ω-ω сигнального и опорного резонаторов будет содержаться информация о поле ГИ, обусловленная только наличием гравитационно-индуцированного сдвига частоты генерации  в сигнальном резонаторе при любом направлении распространения ГИ. Выходящие с помощью частично пропускающего зеркала 2 излучения из сигнального и опорного резонаторов после прохождения через поляризатор 7, у которого плоскость пропускания света образует угол 45° с плоскостью фиг.1, на входе фотоприемника 8 создают интерференционное поле. Сигнал с фотоприемника 8 поступает в блок обработки сигналов 9, который служит для выделения полезного сигнала из шумов.
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. Мизнер Ч., Торн К., Уилер Дж. Гравитация. В 3 томах. М.: Мир, 1977, 1519 с.