The research on the laser acquisition-pointing technique of inter-satellite interferometer for the space-based gravitational wave detection

Abstract

&nbsp; 我国的太极计划以及ESA（European Space Agency, 欧洲航天局）的LISA（Laser Interferometer Space Antenna, 空间激光干涉天线）计划为最具代表性的空间引力波探测计划，拟采用激光干涉的测量方法实现0.1mHz-1Hz频段的引力波探测。在卫星发射到既定轨道后，需首先完成百万公里量级星间激光链路的构建，使用于科学测量的QPD（Quadrant Photodiode, 四象限探测器）能够接收到连续的激光信号，为此需引入激光捕获系统将激光指向偏差压制到1&mu;rad。为避免引力波信号淹没于激光抖动噪声之中，完成激光捕获后还需进行激光精密指向过程，将激光指向抖动进一步压制到10nrad/&radic;Hz@(0.1mHz-1Hz)。 &nbsp; 空间引力波探测激光捕获-指向过程具有超远距离及超高精度捕获的特点，拟采用三级捕获探测器的方案，通过STR（Star Tracker, 恒星敏感器）、CCD（Charge-Coupled Device, 电荷耦合器件）/CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor, 互补金属氧化物半导体）捕获相机、QPD逐级压制激光指向偏差。目前对全过程的模拟结果初步验证了上述方案的可行性，但作为太极计划不可或缺的关键技术，在应对空间实际工况时，激光捕获-指向系统中尚有较多的关键科学与技术问题仍需解决。为分析激光捕获-指向系统在轨可行性，本论文解决的主要科学与技术问题如下：（1）如何提出激光捕获-指向过程各阶段采用的器件及技术指标？（2）激光捕获阶段的核心方法学是：通过计算地面校正的参考光斑与捕获相机上接收到的入射激光光斑间的位置偏差，反演相应方向激光指向偏差，因此光斑中心定位精度直接决定了激光捕获精度。光束传播百万公里量级距离后，用于激光捕获的光强仅有100pW量级，如何在100pW量级弱接受光强情况下实现激光光斑实时、高精度定位？（3）激光精密指向阶段拟采用DWS（Differential Wavefront Sensing, 差分波前传感）技术进行角度的高精度测量。同样由于光束远距离传播，进入接受口径内的光束具有高斯平顶光束的性质，因此实际空间探测中DWS信号是由本地的高斯光束和远处传来的高斯平顶光束干涉产生。在空间实际干涉情况下DWS技术有怎样的表现？为满足太极计划激光精密指向阶段精度要求，DWS技术应用的边界条件为何？ &nbsp; 目前对空间引力波探测激光捕获系统的研究仍停留在方案模拟阶段，为充分验证激光捕获系统原理与方法学可行性，本论文设计并构建了激光捕获地面模拟实验系统。实验系统从捕获光路、捕获精度和捕获扫描过程三个方面对太极计划实际激光捕获过程进行了模拟，并通过DWS信号读出捕获后激光角度残余偏差。论文分析了地面实验中，光束非平顶特性对激光捕获实验结果的影响，提出了改进的实验方案，从原理方法学上验证了太极计划激光捕获方案的可行性，为太极计划激光捕获系统设计提供了理论及实验基础。 &nbsp; 太极计划激光捕获方案拟采用CCD/CMOS捕获相机进行光斑中心定位，但捕获相机本身有严重的发热问题，对干涉仪测量精度会产生较大影响。激光捕获完成后需将系统静置两周左右的时间才能开始进行引力波信号探测，这会大大浪费科学测量时间。为避免上述问题，本论文提出了一种高速、高精度的QPD捕获方案。通过仿真验证了该方法可在70s内实现1&mu;rad的捕获精度，可作为未来空间引力波探测激光捕获备选方案。</p