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目前，中科院力學所承擔了激光干涉測距系統方法學篩選和地面模擬系統的研制，并于近期取得進展。科研人員突破國際技術封鎖和關鍵器件禁運，成功設計出集消除噪聲與精密測距等多功能的激光干涉儀光路。 空間引力波探測和地球重力場空間測量兩大科學計劃具有重大科學意義和廣泛的應用價值。空間引力波探測不僅可以檢驗愛因斯坦廣義相對論，還可開啟一個觀測宇宙早期的新窗口；而先進重力場測量將為人們研究陸地水循環、冰川變化、海洋環流及大氣循環等地球大質量時空分布、變化與遷移現象提供有效的分析依據。 這兩大科學計劃的核心技術即是激光干涉測距系統，用以獲得由空間引力波擾動或重力場異常所引起的星間距變化。空間引力波探測要求在百萬公里量級的衛星間，獲得皮米量級的位移測量精度；而對于地球重力場空間測量，也要在百公里量級的衛星間獲得納米級的測距精度。 單頻激光干涉儀從激光器發出的光束，經擴束準直后由分光鏡分為兩路，并分別從固定反射鏡和可動反射鏡反射回來會合在分光鏡上而產生干涉條紋。當可動反射鏡移動時，干涉條紋的光強變化由接受器中的光電轉換元件和電子線路等轉換為電脈沖信號，經整形、放大后輸入可逆計數器計算出總脈沖數，再由電子計算機按計算式[356-11]式中λ為激光波長(N為電脈沖總數)，算出可動反射鏡的位移量L。使用單頻激光干涉儀時，要求周圍大氣處于穩定狀態，各種空氣湍流都會引起直流電平變化而影響測量結果。 雙頻激光干涉儀在氦氖激光器上，加上一個約0.03特斯拉的軸向磁場。由于塞曼分裂效應和頻率牽引效應,激光器產生1和2兩個不同頻率的左旋和右旋圓偏振光。經1/4波片后成為兩個互相垂直的線偏振光,再經分光鏡分為兩路。一路經偏振片1后成為含有頻率為f1-f2的參考光束。另一路經偏振分光鏡后又分為兩路：一路成為僅含有f1的光束,另一路成為僅含有f2的光束。當可動反射鏡移動時,含有f2的光束經可動反射鏡反射后成為含有f2±Δf的光束，Δf是可動反射鏡移動時因多普勒效應產生的附加頻率,正負號表示移動方向(多普勒效應是奧地利人C.J.多普勒提出的，即波的頻率在波源或接受器運動時會產生變化)。這路光束和由固定反射鏡反射回來僅含有f1的光的光束經偏振片2后會合成為f1-(f2±Δf）的測量光束。 測量光束和上述參考光束經各自的光電轉換元件、放大器、整形器后進入減法器相減,輸出成為僅含有±Δf的電脈沖信號。經可逆計數器計數后，由電子計算機進行當量換算（乘1/2激光波長）后即可得出可動反射鏡的位移量。雙頻激光干涉儀是應用頻率變化來測量位移的，這種位移信息載于f1和f2的頻差上，對由光強變化引起的直流電平變化不敏感，所以抗干擾能力強。它常用于檢定測長機、三坐標測量機、光刻機和加工中心等的坐標精度，也可用作測長機、高精度三坐標測量機等的測量系統。利用相應附件，還可進行高精度直線度測量、平面度測量和小角度測量。 空間引力波探測和地球重力場空間測量兩大科學計劃具有重大科學意義和廣泛的應用價值。空間引力波探測不僅可以檢驗愛因斯坦廣義相對論，還可開啟一個觀測宇宙早期的新窗口；而先進重力場測量將為人們研究陸地水循環、冰川變化、海洋環流及大氣循環等地球大質量時空分布、變化與遷移現象提供有效的分析依據。這兩大科學計劃的核心技術即是激光干涉測距系統，用以獲得由空間引力波擾動或重力場異常所引起的星間距變化。空間引力波探測要求在百萬公里量級的衛星間，獲得皮米量級的位移測量精度；而對于地球重力場空間測量，也要在百公里量級的衛星間獲得納米級的測距精度。這無疑是目前測量學的重大挑戰。 2008年，由中國科學院力學研究所國家微重力實驗室牽頭，聯合中科院理論物理研究所、中科院物理研究所、中科院武漢物理與數學研究所、華中科技大學、中國東方紅衛星股份有限公司等，組建了中科院空間引力波調研論證組；2009年，中科院將空間引力波探測列入中科院2050中長期發展規劃；2011年，美國NASA退出“LISA”計劃，ESA尋求中國20%的合作，其中皮米精度的激光干涉儀列為中國可能貢獻的載荷之一；2012年，為響應國際同行的合作倡議，由力學所和中國科學院大學牽頭成立了中科院空間引力波探測工作組。 為配合和推進空間引力波探測等科學計劃的落實，力學所承擔了激光干涉測距系統方法學篩選(ChinesePhysicsLetters，2012，29(7)079501-3)和地面模擬系統的研制。在中科院空間中心戰略先導項目和中科院科研裝備研制項目的支持下，科研人員突破國際技術封鎖和關鍵器件禁運，成功地設計出集消除噪聲與精密測距等多功能的激光干涉儀光路，以及多元抑噪的方案，研制出測距精度優于100pm/Hz1/2的激光干涉儀；采用數字鎖相環技術（DPLL）和現場可編程門陣列(FPGA)等硬件平臺，研制出檢相精度優于2π×10-5rad/Hz1/2的高精度相位計(Rev.Sci.Instrum.2014，85，024503)；采用差分波前檢測技術和相敏型指向敏感器，發展了指向控制精度達10nrand/Hz1/2的激光指向控制模擬系統(Rev.Sci.Instrum.2014,85,074501)；利用電光相位調制器、鎖相控制模塊等建立了鎖相精度優于2π×10-4rad/Hz1/2的激光鎖相控制模擬系統；同時，申請了多項技術發明專利；成功構建了空間激光干涉測距地面模擬裝置。這標志著我國在空間精密測距技術領域邁出了堅實的一步，積累了寶貴的知識和經驗，奠定了技術基礎。 目前，中科院力學所承擔了激光干涉測距系統方法學篩選和地面模擬系統的研制，并于近期取得進展。科研人員突破國際技術封鎖和關鍵器件禁運，成功設計出集消除噪聲與精密測距等多功能的激光干涉儀光路，以及多元抑噪的方案，研制出測距精度優秀的激光干涉儀；采用數字鎖相環技術和現場可編程門陣列等硬件平臺，研制出檢相精度優秀的高精度相位計；采用差分波前檢測技術和相敏型指向敏感器，發展了高指向控制精度的激光指向控制模擬系統；利用電光相位調制器、鎖相控制模塊等建立了鎖相精度優秀的激光鎖相控制模擬系統，同時，研究者還成功構建了空間激光干涉測距地面模擬裝置。 以上取得的成績，標志著我國在空間精密測距技術領域有了進一步發展，并為之后的研究奠定了技術基礎。該項目近日通過了由中科院組織的專家組驗收。 |
責任編輯：朱振杰
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