為獲得足夠的靈敏度，高新LIGO 探測(cè)器在光學(xué)上采取了數(shù)個(gè)增強(qiáng)措施[2]。首先，每個(gè)干涉臂本身是法布里—珀羅諧振腔。進(jìn)入干涉臂的激光，不像一般邁克爾孫干涉儀，只走一個(gè)來回就回到分束鏡與另一臂的光束發(fā)生干涉，而是被“保存”在干涉臂中一段時(shí)間。激光在法布里-珀羅諧振腔中來回振蕩約300 次才返回分束鏡，意味著光場(chǎng)的相位對(duì)長(zhǎng)度變化的敏感度得到了300倍的增強(qiáng)?；蛘邠Q句話說，干涉儀的有效臂長(zhǎng)提高了300 倍。與此同時(shí)，腔中激光功率也因?yàn)楣舱裨鰪?qiáng)作用，提高了300 倍。其次，干涉儀工作在暗態(tài)附近，大部分激光被反射回原激光方向。因此，在激光之后、分束鏡之前，放置了一個(gè)部分透過的鏡子，用以共振增強(qiáng)干涉儀中的激光，增強(qiáng)效果約35 倍。于是，20W的激光輸入，在分束鏡處增強(qiáng)為約700 W，在每個(gè)臂中增強(qiáng)為100 kW。另外，在干涉儀的輸出端也放置了一個(gè)部分透過的鏡子，用于增強(qiáng)信號(hào)提取和探測(cè)器帶寬。

所有這些干涉儀技術(shù)措施，都是為了使引力波應(yīng)變產(chǎn)生的光學(xué)信號(hào)最大化，從而降低光子散粒噪聲。光子散粒噪聲是由到達(dá)光電探頭的光量子的統(tǒng)計(jì)漲落引起的，它是激光干涉引力波探測(cè)器高頻端的主要噪聲來源，它對(duì)信號(hào)信噪比的影響與干涉儀中激光功率的平方根成反比。未來數(shù)年，高新LIGO 探測(cè)器計(jì)劃通過增加入射激光功率，把干涉儀中循環(huán)的激光功率提高至750 kW，進(jìn)一步降低噪聲[4]。

為實(shí)現(xiàn)這些增強(qiáng)功能，所有這些耦合的光學(xué)腔都需要通過伺服控制系統(tǒng)鎖定。干涉臂中的法布里—珀羅腔的腔長(zhǎng)起伏穩(wěn)定到小于100 fm，而其他的光學(xué)腔保持在1 到10 pm 以內(nèi)。同時(shí)，每個(gè)鏡子需要調(diào)節(jié)并保持與光軸完美重合，偏差在數(shù)十個(gè)納弧度以內(nèi)。

高新LIGO 探測(cè)器能夠探測(cè)極微弱的引力波應(yīng)變，必然對(duì)環(huán)境中的微小振動(dòng)非常敏感。它本質(zhì)上是一個(gè)巨大的地震儀，可以感應(yīng)附近路上的車輛，遠(yuǎn)處海浪拍岸，還可感應(yīng)地球上幾乎所有重要的地震。這些機(jī)械振動(dòng)是低頻端的主要噪聲來源。為降低震動(dòng)噪聲，每個(gè)鏡子都被懸掛在一個(gè)復(fù)雜的四級(jí)擺系統(tǒng)上，如圖2 所示;而這個(gè)四級(jí)擺系統(tǒng)又固定在一個(gè)主動(dòng)震動(dòng)隔離平臺(tái)上。以此來濾除大部分機(jī)械波，隔離外界的干擾[5]。

 
在中間頻段，鏡子和懸掛裝置中分子的布朗運(yùn)動(dòng)引起的熱噪聲是主要噪聲源。干涉儀中鏡子直徑34 cm，厚20 cm，重達(dá)40 kg，選擇超高純?nèi)凼⒉馁|(zhì)，以降低熱噪聲。鏡子表面的拋光精度達(dá)千分之一激光波長(zhǎng)，也就是1 nm 左右(圖3)。鏡子上鍍了超低損耗電介質(zhì)光學(xué)膜，300 萬個(gè)光子打在上面只會(huì)吸收一個(gè)光子。這些寶石般的鏡子通過0.4 mm粗的石英光纖被懸掛在上一級(jí)單擺上。

　　圖3 LIGO使用的鏡子的照片[5]

此外，除激光之外所有部件都安裝在超高真空中的震動(dòng)隔離平臺(tái)上。在干涉臂1.2 m粗的管道中，氣壓保持小于1 μpa，以降低空氣瑞利散射產(chǎn)生的相位起伏。

所有這些技術(shù)措施加在一起，使得高新LIGO探測(cè)器可以測(cè)量到10-19 m，也即小于萬分之一個(gè)質(zhì)子的長(zhǎng)度變化。在最靈敏的100 —300 Hz 頻段，應(yīng)變靈敏度達(dá)到前所未有的10-23/ √Hz ，使它能夠成功測(cè)量到GW150914 這個(gè)雙黑洞合并事件。

3、邁克耳孫干涉儀、激光器

馬克斯·普朗克引力物理研究所所長(zhǎng)布魯斯·艾倫(Bruce Allen)在評(píng)論成功探測(cè)引力波這個(gè)突破時(shí)說[1]：“愛因斯坦當(dāng)初認(rèn)為引力波太過微弱無法探測(cè)，并且不相信黑洞的存在。不過，我不認(rèn)為他會(huì)介意自己弄錯(cuò)了。”這個(gè)歷史過程確實(shí)非常有戲劇性。其實(shí)，LIGO 探測(cè)器與愛因斯坦、相對(duì)論還有其他有趣的聯(lián)系。

前面講到，LIGO 探測(cè)器本質(zhì)上是一個(gè)邁克爾孫干涉儀。發(fā)明這種干涉儀的美國(guó)物理學(xué)家阿爾伯特·邁克爾孫和愛德華·莫雷在1887 年進(jìn)行了一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，試圖探測(cè)地球相對(duì)于“以太”的運(yùn)動(dòng)。圖4 是其干涉儀裝置圖。19 世紀(jì)后期，科學(xué)家們認(rèn)為光在“以太”中傳播。由于地球以每秒30 km的速度圍繞太陽運(yùn)動(dòng)，因此在一年當(dāng)中的大部分時(shí)刻，地球應(yīng)該與“以太”有相對(duì)運(yùn)動(dòng)。兩個(gè)垂直方向的光速應(yīng)該有所不同，在干涉儀上表現(xiàn)為條紋的變化。但是，實(shí)驗(yàn)的結(jié)果是否定的。這個(gè)實(shí)驗(yàn)被稱為“ 史上最著名的失敗實(shí)驗(yàn)”，因?yàn)樗穸艘蕴碚?，促使愛因斯坦提出光速不變?cè)?mdash;—狹義相對(duì)論的兩個(gè)基礎(chǔ)公設(shè)之一。愛因斯坦后來又在狹義相對(duì)論的基礎(chǔ)上提出了廣義相對(duì)論，而廣義相對(duì)論預(yù)言了引力波。因此，這個(gè)戲劇的情節(jié)鏈條是這樣的：一個(gè)原初版的邁克爾孫干涉儀促使了相對(duì)論的誕生，相對(duì)論預(yù)言了引力波，一個(gè)改良后的邁克爾孫干涉儀又證實(shí)了引力波的存在。愛因斯坦和我們都應(yīng)當(dāng)感謝這一種叫“邁克爾孫干涉儀”的測(cè)量?jī)x器。

　　圖4 邁克耳孫—莫雷實(shí)驗(yàn)中的干涉儀裝置(它固定在一塊石板上，石板浮動(dòng)在水銀槽上)

更有意思的是，愛因斯坦除了預(yù)言引力波，其實(shí)也為探測(cè)引力波立下了汗馬功勞。

在邁克爾孫—莫雷實(shí)驗(yàn)中，首先使用準(zhǔn)單色的鈉黃光來調(diào)節(jié)干涉儀至等臂長(zhǎng)的位置，然后切換至白光進(jìn)行測(cè)量。因?yàn)?9 世紀(jì)沒有現(xiàn)代的技術(shù)手段，測(cè)量是靠人眼觀察來進(jìn)行的。白光產(chǎn)生的彩色干涉條紋相比單色光產(chǎn)生的條紋要容易分辨得多。但是，白光或者鈉黃光是無法用在現(xiàn)代的大型引力波探測(cè)器上的。一方面，這些光源空間上過于發(fā)散，經(jīng)過這么長(zhǎng)干涉臂后只有很小一部分光能反射回來;另一方面，這些光源的相干性太差，對(duì)臂長(zhǎng)差異忍受度低，而且無法進(jìn)行共振增強(qiáng)。引力波探測(cè)器都采用激光作為光源，因?yàn)榧す獾陌l(fā)散角小，相干性好。而激光技術(shù)正是在愛因斯坦的受激發(fā)射理論基礎(chǔ)上發(fā)明發(fā)展起來的。意識(shí)到這一點(diǎn)，是不是更加佩服愛因斯坦的偉大了。

目前高新LIGO 探測(cè)器上使用的激光器是波長(zhǎng)為1064 nm 的摻Nd 固體激光器，它由一個(gè)小功率的種子激光器和兩個(gè)放大模塊組成[6，7]，如圖5 所示。種子激光采用單塊晶體的非平面環(huán)形腔設(shè)計(jì)，非常穩(wěn)定、小巧、可靠，可輸出2W功率的單縱模、單橫模激光。在經(jīng)過由4塊晶體棒組成的單程放大器后，功率可提高至35W。然后注入鎖定一個(gè)同樣有4 塊晶體的環(huán)形腔振蕩器， 獲得220 W 輸出。在這之后，激光系統(tǒng)還要通過兩次模式清理，獲得完美的高斯基模，穩(wěn)定功率，鎖定至高精度參考腔以穩(wěn)定波長(zhǎng)，然后才被注入至干涉儀。這里采用的固體激光技術(shù)是LIGO建設(shè)階段最為成熟可靠的技術(shù)，未來可以采用光纖激光技術(shù)簡(jiǎn)化激光器系統(tǒng)[8，9]。激光系統(tǒng)中的放大器部分可以替換為兩級(jí)單模Yb光纖放大器，其增益介質(zhì)為細(xì)小的單模光纖，光在10 μm粗的纖芯中傳播。因?yàn)閱文９饫w已經(jīng)是完美的分布式空間濾波器，所以激光系統(tǒng)也就不再需要后面的模式清理腔了。

　　圖5 (a)激光器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖[6];(b)非平面環(huán)形腔種子激光器;(c)LIGO 激光器平臺(tái)照片[5]

4、其他引力波探測(cè)器

在GW150914 事件中，引力波首先到達(dá)美國(guó)南部路易斯安那州的探測(cè)器，6.9 ms 后到達(dá)美國(guó)西北部華盛頓州的探測(cè)器。從這個(gè)時(shí)間差可以判斷引力波源在南天球，但是，再精確的定位就不可能了。LIGO關(guān)注的引力波的波長(zhǎng)在3000 km量級(jí)，波源的定位能力決定于波的衍射，也就是波長(zhǎng)除以探測(cè)器間距。這是兩個(gè)相同的LIGO 探測(cè)器建設(shè)在美國(guó)大陸兩端的原因(圖1)。但是這個(gè)間距還是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。當(dāng)然，兩個(gè)或多個(gè)探測(cè)器聯(lián)合進(jìn)行測(cè)量，可以同時(shí)有效排除虛假信號(hào)的干擾，極大地提高測(cè)量的可信度。在高新LIGO 探測(cè)器之后，陸續(xù)還會(huì)有意大利的高新Virgo 和日本的KAGRA 完成。在首次探測(cè)到引力波的新聞發(fā)布之后，印度政府隨即通過了印度的LIGO 計(jì)劃。這些激光干涉裝置將組成一個(gè)大型的引力波探測(cè)器網(wǎng)絡(luò)，聯(lián)合進(jìn)行引力波測(cè)量與定位。

另外，測(cè)量不同偏振態(tài)的引力波也是需要考慮的問題。像LIGO 這樣的L 字型激光干涉儀，因?yàn)榉轿唤堑年P(guān)系，總會(huì)有某個(gè)線偏振態(tài)是無法感應(yīng)的。在地球表面不同位置，布置不同方向的引力波探測(cè)器，可以解決這個(gè)問題。

歐盟的科學(xué)家還提出了一個(gè)所謂第三代地基引力波探測(cè)器，名字就叫作“愛因斯坦天文臺(tái)”(圖6)，目前還在設(shè)計(jì)研究階段[10]。這個(gè)探測(cè)器將像日本的KAGRA一樣放置在地下，以此來降低引力梯度噪聲和震動(dòng)噪聲，提高低頻端的靈敏度。所有鏡子將被冷卻至極低溫度，以降低中間頻段的熱噪聲。它由呈等邊三角形的三個(gè)臂組成，臂長(zhǎng)為10 km，探測(cè)目標(biāo)在比LIGO 略低的頻段。

　　圖6 歐盟設(shè)計(jì)計(jì)劃中的愛因斯坦望遠(yuǎn)鏡[10]

為測(cè)量更低頻率的引力波信號(hào)，干涉儀的臂長(zhǎng)需要進(jìn)一步增加，科學(xué)家們把視線望向了空間。激光干涉空間天線(laser interferometer space antenna，LISA)是歐空局提出的空間引力波探測(cè)計(jì)劃，中間經(jīng)歷了兩次修改，目前的設(shè)計(jì)稱為演化激光干涉空間天線(evolved laser lnterferometer space antenna，eLISA)(圖7)。eLISA 是由間隔100萬公里，呈近似等邊三角的3 個(gè)衛(wèi)星組成的一個(gè)巨型的激光干涉儀。由于它百萬公里的臂長(zhǎng)，沒有地面的震動(dòng)干擾，可探測(cè)0.1 mHz—1 Hz 頻段的豐富天體過程的引力波信號(hào)[11]。

　　圖7 演化的激光干涉空間天線[11]

我國(guó)由于空間技術(shù)的發(fā)展，對(duì)于空間激光干涉引力波探測(cè)表現(xiàn)出強(qiáng)烈的興趣。目前，有兩組科學(xué)家提出了“太極”和“天琴”兩個(gè)空間激光干涉引力波探測(cè)計(jì)劃。其中“太極”計(jì)劃有兩個(gè)方案：一是參加歐空局的eLISA 雙邊合作計(jì)劃;二是在2033 年前后發(fā)射中國(guó)的引力波探測(cè)衛(wèi)星組，與預(yù)計(jì)2035 年發(fā)射的eLISA 互相補(bǔ)充和檢驗(yàn)。“天琴”計(jì)劃則是由中國(guó)科學(xué)家主導(dǎo)的空間引力波探測(cè)計(jì)劃，與eLISA 和“太極”類似，只是它采用地球軌道。因此，“天琴”的技術(shù)難度略低，不過受地球重力場(chǎng)影響略大[12]。但是，“天琴”和“太極”計(jì)劃至今還都沒有跨過立項(xiàng)的門檻。

5、結(jié)束語與展望

愛因斯坦當(dāng)年認(rèn)為，自己預(yù)言的引力波太過微弱而無法探測(cè)，這是基于當(dāng)時(shí)技術(shù)條件合乎情理的判斷。技術(shù)的發(fā)展需要時(shí)間，而這100 年技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)遠(yuǎn)超當(dāng)年最聰明之人的想象了。愛因斯坦提出了受激發(fā)射理論，但是他也無法預(yù)測(cè)基于此理論發(fā)明、發(fā)展的激光技術(shù)會(huì)如此重要，在科研、國(guó)防、工業(yè)、醫(yī)療、互聯(lián)網(wǎng)等社會(huì)生活的方方面面得到廣泛應(yīng)用，也不會(huì)想到，基于自己理論發(fā)明的激光技術(shù)會(huì)在探測(cè)基于自己理論預(yù)言的引力波中發(fā)揮關(guān)鍵作用。

基礎(chǔ)科學(xué)和技術(shù)的發(fā)展有各自內(nèi)在的邏輯，但更重要的它們確實(shí)互相促進(jìn)。首次探測(cè)到引力波可以說主要是一項(xiàng)技術(shù)的突破，從此人類有了“傾聽”宇宙的能力。已有的、在建的、未來的地面、地下、空間激光干涉引力波探測(cè)器組成龐大的“助聽器網(wǎng)絡(luò)”，使得人類能夠分辨宇宙深處波瀾壯闊的樂章。探測(cè)到GW150914 引力波信號(hào)，只是一個(gè)新時(shí)代的開端。可以預(yù)見，隨著激光干涉引力波探測(cè)器靈敏度的進(jìn)一步提高，引力波天文學(xué)將極大地提升人類對(duì)宇宙的了解，并有可能帶來系列基礎(chǔ)科學(xué)新發(fā)現(xiàn)。

更為有趣的，有人把首次探測(cè)到引力波與1887 年赫茲成功探測(cè)到電磁波聯(lián)系起來。引力和電磁力都是長(zhǎng)程力，可以遠(yuǎn)距離傳播和探測(cè)。當(dāng)年，赫茲在論文的結(jié)尾寫道，“我不認(rèn)為我發(fā)現(xiàn)的無線電磁波會(huì)有任何實(shí)際用途”。但是，我們都已經(jīng)了解，現(xiàn)代生活已經(jīng)離不開電磁波了。愛因斯坦當(dāng)年也不可能認(rèn)為引力波會(huì)有實(shí)際用途。引力波將首先被應(yīng)用到天文和宇宙學(xué)的研究上，它有沒有可能像電磁波一樣應(yīng)用于通信，應(yīng)用于星系尺度的長(zhǎng)距離聯(lián)絡(luò)?雖然目前看起來匪夷所思，只可能存在于科幻小說中，但技術(shù)的發(fā)展常給人驚喜，誰知道未來會(huì)怎樣呢。

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