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测量引力波的新方法光孤子存储环-共振棒测引力波

刘雪敏  
【摘要】:广义相对论预言了引力波的存在,人们对它的性质研究,发现引力波有极强的穿透性和相干性,为人类了解宇宙提供了一个新的窗口。在试验上探测引力波的先驱工作是Weber于1960年开始的。自此以后,世界各国科学家进行了引力波探测,目前,世界上建立了两类引力波探测器,共振质量探测器和激光干涉仪探测器。现在,我们提出了一种测引力波的新方法。用折叠固定在共振棒上光孤子存储环测引力波。 光孤子存储环多次折叠的固定在两个共振棒上,把两个共振棒分别悬挂在水平方向上,使它们成 900 角。当引力波通过时,使棒发生形变。如果棒的方向和引力波的极化方向相同,则棒1伸长时,棒2缩短,反之亦然。由于光纤固定在棒上,所以它随棒的形变而变化。如果存储环中注入光孤子串,则孤子运行的距离将发生变化,那么孤子的运行时间将发生变化。我们选择相位相反的两个特殊孤子,通过对设备的优化设计,使孤子1永远在伸长的棒上运行,孤子2永远在缩短的棒上运行,通过测量这两个孤子运行时间差的变化来测量连续引力波。 这种用共振棒-光孤子存储环测引力波的新方法,即利用了棒和引力波共振放大信号,又利用了光纤多次折叠延长光路放大信号。它的最大特点是,两个孤子的时间差可以连续积累。但是,为了使孤子长期运行,光路中加入放大器,引起了孤子到达时间抖动。这种时间抖动可以通过滤波器压制到与光孤子运行距离成正比。然后把孤子运行数据通过Kalman滤波进行数据处理,可使时间抖动的误差变成一个常数C。当孤子运行时间差的变化超过这个常数时,并且超过测量分辨率和棒的热噪声时,引力波就能被探测到。 建立了光孤子测量光纤应变的一个简单模型,研究如何利用卡曼滤波器对这个模型的测量数据进行处理,指出卡曼滤波在这种情况下是时不变的。尽管光孤子到达时间的抖动正比于它的运行时间,但经过较长时间的测量,测量结果的方差可以保持为一常数,说明这个方案是可行的。


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