[发明专利]一种基于四通道探测技术的弱光锁相星间位移测量方法及实现该方法的装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于四通道探测技术的弱光锁相星间位移测量方法及实现该方法的装置，属于光学领域。

背景技术

从发射地球卫星到成功登月，从探索外星生命到进行空间引力波探测，人类向太空的探索永未停歇。在这个过程中，用于监测飞行器运动状态的星间位移测量技术得到了极大的发展。通过采用激光外差干涉测量方法，在保证微米甚至纳米级精度的前提下，其探测距离已经扩展到几百万公里。在探测距离如此远的情况下，传统位移与距离测量所使用的目标端被动反射测量激光的方法已经不再适用，测量激光在两倍探测距离下光束的发散将导致激光功率大幅度衰减而无法探测。

针对这一问题，研究人员提出了在目标端设置回传激光器，控制回传激光对入射激光进行频率相位锁定来实现对入射测量激光放大回传的方法。2000年美国国家航空航天局(NASA)喷气动力实验室(Jet Propulsion Laboratory)的Muthu Jeganathan和Serge Dubovitsky等人利用上述方法进行了相关实验，其使用激光偏频锁定装置(LOLA)实现了目标端1.319μm波长回传激光对发射端激光50MHz的频率锁定。其通过在目标端设置压电陶瓷微位移平台控制反射镜位置，验证了测量系统的测量分辨率在350nm位移范围内达到2.6nm。经过实验与分析，Muthu Jeganathan等人提出利用该方法实现远距离位移测量的关键在于保证目标端回传激光对测量端发射激光频率相位的精确锁定跟踪。

20世纪90年代初期，光学锁相技术在电学领域的锁相环技术基础上发展成型，由于能够实现对激光频率相位的锁定跟踪，其一经出现便受到研究人员的广泛关注。光学锁相环根据产生反馈控制信号的不同可以分为零差式光学锁相环和外差式光学锁相环。其中，零差式光学锁相环直接提取出回传激光与入射激光的相位差值，并以此为反馈信号对回传激光进行控制，最终实现回传激光与入射激光频率一致的锁相跟踪。外差式光学锁相环则将回传激光与入射激光混频信号的频率与本地振荡器的参考频率进行比较，以产生的频率偏差信号反馈控制回传激光，最终实现回传激光与入射激光频率差值恒定为本地振荡器的参考频率。

目前，光学锁相技术已经在空间引力波探测这一国内外热点研究课题中得到了应用。空间引力波探测需要对多个超远距离、特定轨道的航天器进行实时的间距与位置测量，航天器间距离通常为数百万公里。因此对测量激光的弱光锁相成为保证在如此远的探测距离下进行位移精密测量的关键技术。现有的空间引力波探测计划有空间激光干涉天线计划(LISA)和激光天文动力学空间计划(ASTROD)。其中，空间激光干涉天线计划(LISA)由美国国家航天局(NASA)和欧洲空间局(ESA)合作进行研究，该项目需要对两颗距离远达500万公里航天器的间距进行精密测量，其选取外差式光学锁相回路以实现弱光回传。该计划采用两支1064nm的Nd:YAG激光器作为光源，对其实现了参考频率为3～30MHz的可调外差锁相。其光强相差最大时，弱光仅为320pW而强光为2mW。该项目所选用的外差式弱光锁相回路能够消除航天器相对运动所引入多普勒频移对锁相造成的影响，但是由于其采用本地振荡器作为锁相的基准，该振荡器带来的误差会直接引入锁相结果中对锁相精度产生影响。另外，外差锁相环由于其选取频率差作为反馈信号，无法真正实现回传激光与入射激光相位差的精确锁定。

激光天文动力学空间计划(ASTROD)由中国与欧洲合作执行，为避免多普勒频移对锁相带来的影响，该项目仍计划使用外差锁相方案对回传激光进行控制，但在前期实验中进行了零差锁相的相关探索。台湾清华大学的倪维斗、廖安琪等人利用两台Nd:YAG激光器作为光源，利用光阻隔器分别控制两激光器的输出光强以模拟远程入射弱光及本地回传强光。采用均衡二阶零差锁相回路，通过调节本地激光器的温度和直接由压电陶瓷驱动器调控共振腔长度两种途径对本地激光器光信号相位进行反馈控制，使本地回传激光的相位锁定于远程入射激光，形成光锁相回路。实验表明，该零差锁相环最终实现了对2nW弱光与2mW强光的持久锁相，实现了对200pW弱光与200μW强光2h以上的锁相。但是需要注意的是，该实验中两激光器相对静止，因此并没有测试多普勒频移效应对零差锁相的影响。然而在实际的星间测距过程中，本地与远程激光器由相对运动而导致的多普勒频移难以避免，受限于现有零差锁相环只有几十kHz的捕捉带宽，对远程入射弱光的锁相跟踪难以实现。