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引力波的發現是充分應用光機產品的結果
發布時間:2016-03-15瀏覽:3443次

引力波:
    引力波(gravitational waves)也稱重力波,引力波是愛因斯坦廣義相對論所預言的一種以光速傳播的時空波動,是時空曲率的擾動以行進波的形式向外傳遞的一種方式。如同電荷被加速時會發出電磁輻射,同樣有質量的物體被加速時就會發出引力輻射,這是廣義相對論的一項重要預言。
    引力波與流體力學中的重力波很相似,當液體表面或內部液團由于密度差異離開原來位置,在重力和浮力的綜合作用下,液團會處于上下振動以達到平衡的狀態,即產生波動。
    引力波則是由于空間質量和速度的變化導致空間產生的波動。

 


引力波形成示意圖   

水波

引力波的發現:
    美國科研人員利用激光干涉引力波天文臺(LIGO)于去年9月探測到引力波。LIGO在2016年2月11日宣布“探測到引力波的存在”,該引力波是由兩個黑洞于約13億年前碰撞、結合所傳送出的擾動,于2015年9月14日抵達地球,被LIGO的精密儀器偵測到。引力波的存在,證實了愛因斯坦100年前所做的預測,愛因斯坦廣義相對論實驗驗證中 后一塊缺失的“拼圖”被填補了。

引力波的探測:
    引力波是橫波,在遠源處為平面波;有兩個獨立的偏振態;攜帶能量等。引力波攜帶能量,應可被探測到 ,但引力波的強度很弱,而且,物質對引力波的吸收效率低,直接探測引力波為困難。我們在地球上可觀測到的 強引力波來自很遠且古老的事件,在這事件中大量的能量發生劇烈移動(例子包括兩顆中子星的對撞,或兩個重的黑洞對撞)。這樣的波動會造成地球上各處相對距離的變動,但這些變動的數量級應該非常非常小,以LIGO引力波偵測器的雙臂而言,這樣的變化小于一顆質子直徑的千分之一,即10-19米左右。

激光干涉引力波天文臺(LIGO)


引力波探測示意圖

    1991年,麻省理工學院與加州理工學院在美國國家科學基金會(NSF)的資助下,開始聯合建設“激光干涉引力波天文臺”(LIGO)。
    LIGO的主要部分是兩個互相垂直的干涉臂,臂長均為4000米。在兩臂交會處,從激光光源發出的光束被一分為二,分別進入互相垂直并保持超真空狀態的兩空心圓柱體內,然后被終端的鏡面反射回原出發點,并在那里發生干涉。若有引力波通過,便會引起時空變形,一臂的長度會略為變長而另一臂的長度則略為縮短,這樣就會造成光程差發生變化,因此激光干涉條紋就會發生相應的變化。其原理圖如下所示:

 

LIGO航拍圖

  
引力波探測光路圖

引力波探測原理視頻(英文原版)

    事實上,LIGO的引力波探測裝置是采用邁克爾遜干涉儀的原理制成。
    為了探測超級輕微的擾動,邁克爾遜干涉儀的雙臂越長越好, LIGO的雙臂 終被設計為4千米長。事實上,4千米長的光程還不夠,所以LIGO在雙臂上又增加了法布里-珀羅干涉腔,獲得了等效于1120千米長的光程。


邁克爾遜干涉儀原理圖
   
在邁克爾遜干涉儀基礎上, 4千米長的雙臂中增加法-珀干涉腔的光路圖。

    此外,還有一個問題,雖然等效光程達到1120千米,若想直接探測到引力波,激光器的功率理論上需要達到75萬瓦(750 kW),為了解決此問題,LIGO在激光器和分束器之間增加了一個“功率再循環鏡片”("Power recycling mirrors"),成功地將激光器功率降低了3750倍,所以實際上,LIGO的激光器輸出功率僅為200W。  
   此外,LIGO要求對擾動其敏感,以至于幾千里內任何稍大的振動,都可能把引力波的信號淹沒。所以LIGO采用了雙重減震系統:“主動”減震系統和“被動”減震系統。
    “主動”減震系統是由內部振動隔離(Internal Seismic Isolation ,簡稱ISI)系統構成,其原理是:探測周圍地面所有頻率的振動,然后主動產生一個反向振動,將其抵消,保留引力波引起的振動。

增加了“功率再循環鏡片”的光路圖 


LIGO的“主動”減震系統(ISI系統)照片


  “被動”隔震系統是通過4級鐘擺機構(LIGO稱其為“quad”)將鏡片懸吊起來的復雜系統組成。
    整個quad機構分兩側, “主鏈”側( “Main Chain” side)面向激光束,“反作用鏈”側("Reaction Chain" side)用于進一步消除外界擾動,保證 終只剩下引力波引起的振動。

LIGO的“被動”減震系統(quad機構)示意圖  

Quad照片(局部)

   
    此外,LIGO還具有非常強大的真空系統,腔體內的真空度為海平面氣壓的一萬億分之一。如此高真空,主要兩個原因:
    1.消除空氣分子傳熱和流動:鏡片可能會受熱傳遞影響而變形。另外,如果腔內空氣分子太多,可能會產生氣流,光線穿過氣流時將發生折射現象,導致光線偏離
      直線,就像公路上形成的熱浪。
    2.消除任何灰塵進入激光腔,造成雜射光的可能。

 
LIGO的激光和真空設備區

LIGO的真空管路

意義:
    引力波的發現意義重大,從科學意義上看,引力波可以直接與宇宙大爆炸連接。廣義相對論中預言的引力波也可以產生于宇宙大爆炸中,這就是說大爆炸之初的引力波在137億年后的今天仍然可以探測到。一旦發現了宇宙大爆炸時期的引力波,就可以揭開宇宙的各種謎團,甚至了解宇宙的開端和運行機制。
 

引力波的發現是充分應用光機產品的結果:
    “激光干涉引力波天文臺”(LIGO)在探測和發現引力波的裝置中,大量采用光機類產品及其設計原理,比如:

    1.隔振技術:
    由于外界的微振動直接影響精密儀器設備(如引力波的探測設備)的測量精度。因此,在光學、電子、精密機械制造、冶金、航天、航空、航海、精密化工和無損檢測等領域以及其他機械行     業的精密試驗儀器、設備振動隔離的關鍵裝置中,其隔振性能的好壞直接影響試驗結果的準確性和可靠性。

    近年來,卓立漢光也一直關注并努力改善光學平臺的動態力學特性,并致力于光學平臺隔振性能的研究。卓立漢光生產、銷售的光學平臺是通過隔振技術的不斷改進完善并經過包括科研單位及各大院校的實驗、演示、創新開發出來的高科技產品。

卓立漢光光學平臺

    從2015年起,卓立漢光生產的光學平臺,全面采用整體焊接支架,結構更穩定、隔振效果更好。

    2.邁克爾遜干涉儀實驗裝置
    LIGO探測引力波裝置的說明已經提到,該裝置的光學原理雛形是基于邁克爾遜干涉儀,卓立漢光可提供邁克爾遜干涉儀實驗裝置套件,相關產品如下:
    原理圖:

邁克爾遜干涉儀原理圖(光路圖)

    套件照片:

邁克爾遜干涉儀實驗裝置照片

    實驗裝置組成:

邁克爾遜干涉儀組件名稱組件型號數量
IFS2-MI-25激光組件IFC2-L1
 空間濾波器組件IFC2-SF1
 準直鏡組件IFC2-CL1
 反射鏡組件IFC2-M2
 半透半反鏡組件IFC2-BS1
 屏幕組件IFC2-SC1
 

    另外,卓立漢光還提供各種精密位移產品、光學調整架、光學元件等產品,為您拓展類似的光學系統或搭建各類光學實驗提供豐富的選擇。

卓立漢光光學調整架


卓立漢光光學元件

卓立漢光電動位移臺

卓立漢光手動位移臺

 

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