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面向空间激光干涉引力波探测的星间干涉链路中抖动光程耦合噪声研究

赵亚  
【摘要】:以太极计划为代表的空间引力波探测任务中,三个航天器组成等边三角形,每个航天器搭载两个望远镜,望远镜接受远端光束的同时,发射本地光束经过百万公里的自由传输到达远端航天器。即便如此长的星间激光干涉链路,距离变化测量的精度要求依然极其苛刻,总的测量位移精度需在pm量级。而在空间环境中,受到太阳风、太阳辐射等非保守力的扰动,航天器姿态不可避免的发生抖动。这种抖动会引起望远镜在接收或者发射光束时,光束的传输方向发生抖动。并且由于望远镜的加工、装调以及在轨温度梯度下导致的光学性能的恶化,光束经过望远镜系统后其波前会发生严重的畸变。当接受光束与本地光束进行干涉测距时,两干涉光束之间的波前不匹配耦合抖动会引起额外的光程噪声。同时发射光束经过望远镜扩束并进行远场传输时,光束的波前畸变耦合两航天器间的指向抖动也会引起额外的光程噪声。将上述两种噪声统称为星间激光链路中的抖动光程耦合噪声。针对于上述的研究内容,首先调研激光干涉引力波探测以及干涉测量系统中抖动光程耦合噪声的相关技术研究现状。然后根据空间引力波探测系统的特点,建立针对空间干涉测量光学系统的仿真链路,实现针对于干涉测量信号的光学建模以及光机热集成仿真链路,并利用一全玻璃光纤准直器的设计与工程化验证链路的有效性。针对星间激光链路中科学干涉仪的抖动光程耦合噪声,首先对平顶光束与高斯光束的干涉模型进行详细的理论分析,基于解析解提出消除抖动光程耦合噪声的新方法。并且利用Fringe泽尼克多项式拟合波前差分析了LPF(LISA Pathfinder)光程定义以及AP(Average Phase)光程定义下的光程噪声。结果表明对于LPF光程信号,两光束间波前差至少需要优于/20,才能使得1万个蒙特卡洛的样本值的平均值低于所要求的25pm/μrad。而对于AP光程信号,波前差可以放宽到/10。针对于远场光束传输,首先建立光束远场传输的光程噪声理论模型。在此基础上分析样机望远镜出瞳光束波前远场相位噪声以及光束波前差耦合指向抖动对远场相位噪声的影响。结果表明在一万个随机样本中,指向抖动光程噪声以平均值低于0.1pm/nrad为准,望远镜出瞳波前差RMS需要优于/50,以平均值低于1pm/nrad为准,望远镜出瞳波前差RMS需要优于0.07。针对望远镜在轨温度梯度热变形导致的波前畸变,首先通过分析在轨环境下不同材料制成的望远镜框架的在轨热性能,发现C/Si C材料的在轨热性能最优。因此利用C/Si C材料设计并加工望远镜支撑框架样机。接着设计并搭建一套可以同时多路测量的高精度热变形干涉测量系统,并且利用此系统对望远镜支撑框架样机进行多次热膨胀实验测量,结果表明所用的C/Si C材料的轴向热膨胀系数(CTE)约为-8.3×10~(-7)/K,横向热膨胀系数约为3.3×10~(-5)/K。设计的皮米级多路测量的热变形干涉测量系统可以用于后续的望远镜样机的热性能测量。在上述研究的基础上,建立星间激光干涉全链路光束的传输模型以及抖动光程耦合噪声的传递函数。并且优化设计用于压制科学干涉仪中抖动光程耦合噪声的成像系统。基于上述传输模型分析理想设计下和在轨温度梯度下整个星间干涉链路的抖动光程耦合噪声大小,理想设计下的1万个全链路的抖动光程噪声样本的平均值约为3×10~(-3)pm/nrad,在轨温度梯度下的1万个全链路的抖动光程噪声样本的平均值约为0.05pm/nrad,结果表明设计的星间干涉光学系统满足系统要求。


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