[发明专利]面向空间引力波探测的注入式激光锁相控制方法及装置

说明书

本发明提供了面向空间引力波探测的注入式激光锁相控制方法及装置，方法包括：发出主激光，用于模拟空间引力波探测中主航天器根发出的激光，经过偏振态调控后分为两束；通过注入锁定系统，利用用于注入锁定的激光对从激光的相位进行注入锁定，从激光用于模拟本地航天器发出的激光，注入锁定后的激光分为两束；通过长稳控制系统，输入的激光产生干涉，锁定干涉信号的相位，输入注入锁定系统，用于控制主激光和从激光的频率漂移在注入锁定范围内。本发明还提供了应用了上述方法的装置，通过注入锁定系统解决了经典模拟、数字锁相控制方法学中的散粒噪声瓶颈问题，规避了探测器散粒噪声对锁相精度的限制，实现全频段噪声抑制。

技术领域

本发明属于空间引力波探测领域，具体涉及面向空间引力波探测的注入式激光锁相控制方法及装置。

背景技术

激光经过长距离的传输后，功率大幅下降，若不经特殊处理而直接反射回原航天器，光信号会非常微弱，无法保证有效的信号探测。可以利用光学锁相的技术将分别代表远程入射的弱光和本地的强光两支激光锁相(optical phase-locking)，即将入射激光相位锁定到本地激光(使本地激光具有与入射激光相同的相位)。然后用高功率的本地激光代替入射激光返回原航天器。能够有效提升信号强度及信噪比，使超远距离、高精度的有效测量成为可能。

当前，弱光锁相技术的模拟方法和装置，大多利用了经典的模拟、数字锁相控制方法学，该方法虽能够精确进行星间激光干涉测距弱光锁相技术的地面模拟实验，但想要达到空间引力波的探测精度，还需克服弱光锁相控制所面临的最大噪声问题——由光电探测器所引起的散粒噪声问题。100pW(空间引力波探测光强的量级)量级的弱光所引起的散粒噪声为：

其中，e是电子电量(1.6×10^-19C)，R是探测器响应度(0.68A/W)，η是激光干涉仪的干涉效率(≈80％)，P_rec是探测光光强(100pW)。由此可见，相比于空间引力波探测所需求的皮瓦级弱光锁相控制精度：优于2π×10^-6rad/√Hz，该散粒噪声不容忽视。

发明内容

本发明提供了面向空间引力波探测的注入式激光锁相控制方法及装置，以解决经典模拟、数字锁相控制方法学中的散粒噪声瓶颈问题。

在本发明的第一个方面，提供了面向空间引力波探测的注入式激光锁相控制方法，所述方法包括如下步骤：

S100.发出主激光，用于模拟空间引力波探测中主航天器发出的激光，经过调控偏振态后分为两束，其中一束输入注入锁定系统用于对从激光进行注入锁定，另一束输入长稳控制系统用于长稳控制注入锁定系统；

S200.通过注入锁定系统，利用用于注入锁定的激光对从激光的相位进行注入锁定，从激光用于模拟本地航天器发出的激光，注入锁定后的激光分为两束，其中一束注入锁定后的激光进行功率放大后作为输出光，另一束注入锁定后的激光进入长稳控制系统；

S300.通过长稳控制系统，输入的两束激光产生干涉，锁定干涉信号的相位，输入注入锁定系统，用于控制主激光和从激光的频率漂移在注入锁定范围内。

进一步地，所述步骤S200的具体内容为：

S201.用于注入锁定的激光输入注入锁定系统，经声光调制器对主激光器和从激光器的频率相位进行锁定；

S202.利用光学衰减片对用于注入锁定的激光的光强进行衰减，用于模拟空间引力波探测主航天器的发出激光到达从航天器时的激光光强；

S203.而后进入循环器，根据锁定的频率相位差对从激光器的从激光进行注入锁定，调制后的从激光经功率放大后由第二分束器分为两束。

进一步地，所述步骤S300的具体内容为：

S301.两束输入到长稳控制系统的激光在光纤耦合器中产生干涉；