散粒噪声极限低频信号的相敏外差探测研究

发布时间：2020-06-19 04:19

【摘要】：低频信号(10 Hz及以下频段)的散粒噪声极限测量在引力波探测、磁致真空双折射效应观测等基础物理研究中具有重要的科学意义。相敏外差探测方法对低频信号具有高灵敏探测能力,在散粒噪声极限低频信号探测中有潜在应用前景,近年来引起国内外科研团队的关注。但是,相敏外差探测作为一种新的探测方法,还需要在理论和实验上进一步研究才能在实际科学研究中发挥作用。本文通过Mach-Zehnder干涉仪产生低频振幅信号、Fabry-Perot干涉仪产生低频位相信号,开展散粒噪声极限低频信号的相敏外差探测理论和实验研究。经过理论计算、方案设计、装置搭建、数据采集,处理以及噪声分析,最后得到如下结果:(1)对低频振幅信号的测量在10 Hz频率附近(最低至0.2 Hz)达到了散粒噪声极限,实现了相干态光信号的高灵敏度测量;(2)对低频位相信号的探测在1 Hz频率附近接近散粒噪声极限,主要受限于该频段的电子学噪声。低频位相信号的探测实验方案利用位相锁定的频率合成光实现了Fabry-Perot腔的锁定,在残余幅度调制伺服系统启动时,探测器的噪声水平在0.3-100 mHz的频段降低了2个量级,比传统的位相调制光锁腔技术的噪声低10 dB,此结果获得了国际同行的认可。本文的研究为相敏外差探测方法在低频信号(10 Hz及以下频段)的散粒噪声极限测量中的应用,奠定了理论和实验基础,可望对低频引力波探测等科学前沿研究产生积极影响。
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O412.1
【图文】：

引力波探测器,时域数据,和频,引力波

基础物理学发展中一个里程碑式的进展是地面引力波观测站 LIGO成功捕捉到大型天体碰撞产生的引力波信号[1][2]（图 1.1）。这一重大科研成果不仅进一步验证了爱因斯坦提出的广义相对论[3]，而且激发了科学家通过引力波窗口观察宇宙、研究其起源的极大热情。目前，引力波探测的频段在 100 Hz 附近；但更大天体运动产生的引力波信号的频率可能会远远低于 100 Hz，甚至会达到毫赫兹（mHz）波段[4]。要探测 100 Hz 以下的低频引力波信号，需要解决低频信号探测相关的很多科学问题。比如，在 10 Hz 及以下频段，探测器自身的电子学噪声水平远远高于引力波信号；只有在 10 Hz 及以下频段将探测器噪声水平降低到系统的散粒噪声极限[5-14]，才有可能探测到这些引力波信号。因此，研究 10 Hz及以下频段信号的散粒噪声极限探测对于引力波探测及相关的基础物理学研究具有十分重要的价值。

探测模型,零差

精密测量中的应用奠定理论和实验基原子光谱检测[36]、光学磁力检测[37][3们对外差探测中 3dB 额外量子噪声问题的理解。散粒噪声极限探测在基础科学和技术合适的光电探测方法，该方面的研究来相敏外差探测方法的发明。所以，光电探测器及其量子性质的研究；下

【参考文献】