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引力波的發(fā)現(xiàn)是充分應(yīng)用光機產(chǎn)品的結(jié)果

2016-03-16 12:13:34 來源：zolix

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(yù)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(fā)出電磁輻射，同樣有質(zhì)量的物體被加速時就會發(fā)出引力輻射，這是廣義相對論的一項重要預(yù)言。
引力波與流體力學(xué)中的重力波很相似，當(dāng)液體表面或內(nèi)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(tài)，即產(chǎn)生波動。
引力波則是由于空間質(zhì)量和速度的變化導(dǎo)致空間產(chǎn)生的波動。

引力波形成示意圖

水波

引力波的發(fā)現(xiàn)：
美國科研人員利用激光干涉引力波天文臺(LIGO)于去年9月首次探測到引力波。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(jié)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(yù)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(tài)；攜帶能量等。引力波攜帶能量，應(yīng)可被探測到，但引力波的強度很弱，而且，物質(zhì)對引力波的吸收效率極低，直接探測引力波極為困難。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(fā)生劇烈移動（例子包括兩顆中子星的對撞，或兩個極重的黑洞對撞）。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(shù)量級應(yīng)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(zhì)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(xué)院與加州理工學(xué)院在美國國家科學(xué)基金會（NSF）的資助下，開始聯(lián)合建設(shè)“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(fā)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(tài)的兩空心圓柱體內(nèi)，然后被終端的鏡面反射回原出發(fā)點，并在那里發(fā)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(fā)生變化，因此激光干涉條紋就會發(fā)生相應(yīng)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(shè)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(chǔ)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(huán)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要求對擾動極其敏感，以至于幾千里內(nèi)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(tǒng)：“主動”減震系統(tǒng)和“被動”減震系統(tǒng)。
“主動”減震系統(tǒng)是由內(nèi)部振動隔離（Internal Seismic Isolation ，簡稱ISI）系統(tǒng)構(gòu)成，其原理是：探測周圍地面所有頻率的振動，然后主動產(chǎn)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(huán)鏡片”的光路圖

LIGO的“主動”減震系統(tǒng)（ISI系統(tǒng)）照片

“被動”隔震系統(tǒng)是通過4級鐘擺機構(gòu)（LIGO稱其為“quad”）將鏡片懸吊起來的復(fù)雜系統(tǒng)組成。
整個quad機構(gòu)分兩側(cè)， “主鏈”側(cè)（ “Main Chain” side）面向激光束，“反作用鏈”側(cè)（"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(tǒng)（quad機構(gòu)）示意圖

Quad照片（局部）

此外，LIGO還具有非常強大的真空系統(tǒng)，腔體內(nèi)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(nèi)空氣分子太多，可能會產(chǎn)生氣流，光線穿過氣流時將發(fā)生折射現(xiàn)象，導(dǎo)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(shè)備區(qū)

LIGO的真空管路

意義：
引力波的發(fā)現(xiàn)意義重大，從科學(xué)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(yù)言的引力波也可以產(chǎn)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(fā)現(xiàn)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(fā)現(xiàn)是充分應(yīng)用光機產(chǎn)品的結(jié)果：
“激光干涉引力波天文臺”（LIGO）在探測和發(fā)現(xiàn)引力波的裝置中，大量采用光機類產(chǎn)品及其設(shè)計原理，比如：

1.隔振技術(shù)：
由于外界的微振動直接影響精密儀器設(shè)備（如引力波的探測設(shè)備）的測量精度。因此，在光學(xué)、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(lǐng)域以及其他機械行業(yè)的精密試驗儀器、設(shè)備振動隔離的關(guān)鍵裝置中，其隔振性能的好壞直接影響試驗結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。

近年來，卓立漢光也一直關(guān)注并努力改善光學(xué)平臺的動態(tài)力學(xué)特性，并致力于光學(xué)平臺隔振性能的研究。卓立漢光生產(chǎn)、銷售的光學(xué)平臺是通過隔振技術(shù)的不斷改進完善并經(jīng)過包括科研單位及各大院校的實驗、演示、創(chuàng)新開發(fā)出來的高科技產(chǎn)品。

卓立漢光光學(xué)平臺

從2015年起，卓立漢光生產(chǎn)的光學(xué)平臺，全面采用整體焊接支架，結(jié)構(gòu)更穩(wěn)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(jīng)提到，該裝置的光學(xué)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(guān)產(chǎn)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(shù)量
IFS2-MI-25	激光組件	IFC2-L	1
	空間濾波器組件	IFC2-SF	1
	準(zhǔn)直鏡組件	IFC2-CL	1
	反射鏡組件	IFC2-M	2
	半透半反鏡組件	IFC2-BS	1
	屏幕組件	IFC2-SC	1