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激光频率波动对空间引力波探测激光干涉测量的影响分析

刘宇 张玉珠 彭晓东 赵梦园 杨震 唐文林 强丽娥

刘宇, 张玉珠, 彭晓东, 赵梦园, 杨震, 唐文林, 强丽娥. 激光频率波动对空间引力波探测激光干涉测量的影响分析[J]. 空间科学学报, 2025, 45(1): 179-188. doi: 10.11728/cjss2025.01.2024-0020
引用本文: 刘宇, 张玉珠, 彭晓东, 赵梦园, 杨震, 唐文林, 强丽娥. 激光频率波动对空间引力波探测激光干涉测量的影响分析[J]. 空间科学学报, 2025, 45(1): 179-188. doi: 10.11728/cjss2025.01.2024-0020
LIU Yu, ZHANG Yuzhu, PENG Xiaodong, ZHAO Mengyuan, YANG Zhen, TANG Wenlin, QIANG Li’e. Analysis of the Influence and Importance of Laser Frequency Fluctuation on Laser Interference Simulation System for Space Gravitational Wave Detection (in Chinese). Chinese Journal of Space Science, 2025, 45(1): 179-188 doi: 10.11728/cjss2025.01.2024-0020
Citation: LIU Yu, ZHANG Yuzhu, PENG Xiaodong, ZHAO Mengyuan, YANG Zhen, TANG Wenlin, QIANG Li’e. Analysis of the Influence and Importance of Laser Frequency Fluctuation on Laser Interference Simulation System for Space Gravitational Wave Detection (in Chinese). Chinese Journal of Space Science, 2025, 45(1): 179-188 doi: 10.11728/cjss2025.01.2024-0020

激光频率波动对空间引力波探测激光干涉测量的影响分析

doi: 10.11728/cjss2025.01.2024-0020 cstr: 32142.14.cjss.2024-0020
详细信息
    作者简介:
    • 刘宇 男, 1997年6月出生于山西省阳泉市, 现为中国科学院大学杭州高等研究院及中国科学院国家空间科学中心硕士研究生, 参与了空间引力波探测太极计划全链路动态数值仿真的工作. E-mail: liuyu21 a@mails.ucas.ac.cn
    通讯作者:
    • 张玉珠 女, 1983年11月出生于北京市, 现为中国科学院国家空间科学中心副研究员, 硕士生导师, 主要研究方向为复杂系统仿真、空间引力波探测任务仿真和基于模型的系统工程(MBSE)等. E-mail: zhangyuzhu@nssc.ac.cn
  • 中图分类号: P171.3

Analysis of the Influence and Importance of Laser Frequency Fluctuation on Laser Interference Simulation System for Space Gravitational Wave Detection

  • 摘要: 空间引力波探测激光干涉测量系统噪声是决定探测任务成败的关键因素. 激光频率噪声是最重要的噪声之一, 有必要分析激光频率波动对测量结果的影响和各参数的变化对测量结果影响的百分比 (重要程度). 由于在地面难以模拟空间环境, 仿真分析是理想的实验手段. 基于空间引力波探测激光干涉测量仿真系统, 分析了自由运行激光器激光频率波动对其中的科学干涉仪、参考干涉仪和TM干涉仪模型造成的测量误差, 并运用直接求导法和Sobol法两种灵敏度分析方法对三种干涉仪模型输出的影响和重要程度进行灵敏度分析. 结果表明自由运行激光器激光频率波动造成的干涉仪测量结果变化远大于皮米量级. 在本文实验条件下, 测量光频率波动对三种干涉仪输出的重要程度分别为100%, 56%, 54%, 参考光频率波动对三种干涉仪输出的重要程度分别为0%, 44%, 46%.

     

  • 图  1  空间引力波探测编队系统链路

    Figure  1.  Detection system links of space gravitational wave detection

    图  2  激光频率波动对激光干涉测量影响分析实验模型

    Figure  2.  Experimental model for analyzing the influence of laser frequency fluctuation on laser interferometry

    图  3  激光干涉测量仿真光学平台

    Figure  3.  Optical bench used in laser interferometry simulation

    图  4  科学干涉仪输入/输出关系散点图

    Figure  4.  Scatter plot of science interferometer input-output relationship

    图  5  参考干涉仪输入/输出关系散点图

    Figure  5.  Scatter plot of reference interferometer input-output relationship

    图  6  TM干涉仪输入/输出关系散点图

    Figure  6.  Scatter plot of TM interferometer input-output relationship

    表  1  Sobol g-function的灵敏度指标对比

    Table  1.   Comparison of sensitivity index of Sobol g-function

    变量 一阶灵敏度指标 总灵敏度指标
    本文解 解析解 本文解 解析解
    x1 0.7153 0.7165 0.7850 0.7871
    x2 0.1787 0.1791 0.2408 0.2420
    x3 0.0236 0.0237 0.0342 0.0340
    x4 0.0074 0.0072 0.0104 0.0105
    x5 0.0001 0.0001 0.0001 0.0001
    x6 0.0001 0.0001 0.0001 0.0001
    x7 0.0001 0.0001 0.0001 0.0001
    x8 0.0001 0.0001 0.0001 0.0001
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    表  2  仿真光学平台中各元件含义, 摆放位置及方向

    Table  2.   Description, position and orientation of each component in the optical bench simulation

    符号 含义 摆放位置/m 摆放方向
    LB 激光器 (0.1, 0.1, 0) (0, –1, 0)
    A 反射镜 (–0.1, 0.05, 0) (1, –1, 0)
    B 分束器 (–0.1, 0.03, 0) (–1, –1, 0)
    C 分束器 (–0.1, 0, 0) (–1, 1, 0)
    E 分束器 (0, 0.05, 0) (1, –1, 0)
    F 分束器 (0, 0, 0) (–1, –1, 0)
    H 分束器 (0.1, 0.05, 0) (–1, 1, 0)
    I 分束器 (0.1, 0, 0) (1, –1, 0)
    J 科学干涉仪QPD (0.1, 0.05, 0) (0, 1, 0)
    G 参考干涉仪QPD (0, –0.05, 0) (0, 1, 0)
    D TM干涉仪QPD (–0.1, 0.05, 0) (0, 1, 0)
    TM 测试质量 (–0.2, 0, 0) (1, 0, 0)
    Remote 远端激光入射/本地激光出射点 (0.2, 0, 0) (–1, 0, 0)
    Adj 临近光学平台激光入射点 (–0.2, 0.03, 0) (1, 0, 0)
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    表  3  仿真系统部分参数

    Table  3.   Parameters of the simulation system

    参数取值
    臂长3×106 km
    外差干涉效率1
    QPD半径1 mm
    QPD狭缝大小25 μm
    光速299792458 m⋅s–1
    激光功率1 W
    激光波长1064 nm
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    表  4  干涉仪输入/输出的默认值

    Table  4.   Default values for input and output

    干涉仪 λr/nm λm/nm $ {\phi ^{{\text{LPF}}}} $/rad
    科学干涉仪 1064 1064 1.771574804774003×1016
    参考干涉仪 1064 1064 1.771574738708464×105
    TM干涉仪 1064 1064 1.771574738775967×105
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    表  5  自由运行激光器激光波长波动导致的测量误差

    Table  5.   Measurement errors caused by wavelength fluctuations in free running lasers

    干涉仪 λm波动范围 λr波动范围 λr, λm同时波动范围
    相位差/rad 光程差/m 相位差/rad 光程差/m 相位差/rad 光程差/m
    科学干涉仪 ±9.99×108 ±169 0 0 ±9.99×108 ±169
    参考干涉仪 ±9.32×10–2 ±1.58×10–8 ±8.33×10–2 ±1.41×10–8 ±0.176 ±2.98×10–8
    TM干涉仪 ±0.127 ±2.14×10–8 ±0.117 ±1.97×10–8 ±0.243 ±4.11×10–8
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    表  6  直接求导法的结果

    Table  6.   Results of sensitivity analysis based on derivative method

    模型 模型输入参数 一阶灵敏度指标
    科学干涉仪 λr 832.5070
    λm –16650139143445.3213
    参考干涉仪 λr 1387.5116
    λm –1554.0130
    TM干涉仪 λr 1942.5162
    λm –2109.0176
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    表  7  科学干涉仪Sobol方法的结果

    Table  7.   Results of sensitivity analysis based on Sobol method for Sci-interferometer

    采样数一阶灵敏度指标总灵敏度指标
    λrλmλrλm
    20000.000000000–34080.5094014560.0000000001.000038804
    40000.0000000008313.3767401560.0000000001.000011119
    60000.000000000–6926.1204169020.0000000000.999992183
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    表  8  参考干涉仪Sobol方法的结果

    Table  8.   Results of sensitivity analysis based on Sobol method for Ref-interferometer

    采样数一阶灵敏度指标总灵敏度指标
    λrλmλrλm
    2000398.732348967–2031.5651402660.4437037350.556524900
    40001084.355308514496.0532185580.4434420130.556361816
    6000892.892434128–412.4827445700.4436677630.556508727
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    表  9  TM干涉仪Sobol方法的结果

    Table  9.   Results of sensitivity analysis based on Sobol method for TM interferometer

    采样数一阶灵敏度指标总灵敏度指标
    λrλmλrλm
    2000294.825816488–1455.3801507620.4591047810.541125987
    4000801.554373052355.5413380800.4588335960.540966969
    6000660.049114648–295.3824718000.4590676490.541110365
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出版历程
  • 收稿日期:  2024-01-31
  • 修回日期:  2024-02-26
  • 网络出版日期:  2024-05-24

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