1、引力波測量原理以LIGO激光干涉法為例目錄歷史上著名的引力波測量實驗引力波測量的難點激光干涉引力波天文臺(LIGO)美國馬里蘭大學韋伯在實驗室建成了第一個引力波探測器。1969年韋伯公布了他們研究小組的實驗數據“ 并宣稱探測到了振幅達10-15，振幅在kHz頻帶的引力波。但韋伯的研究結果始終未能被重復驗證“ 后來其他一些精度遠高于韋伯棒的實驗小組均未發現韋伯宣稱的引力波信號。Tips:該裝置利用引力波的潮汐效應，由于天線內晶格間存在強彈性耦合力, 所以天線端面的振幅隨入射引力波的頻率變化而變化。當入射引力波的頻率等于天線的本征頻率時, 天線將在引力波的作用下發生共振。振動通過固定在天線上的傳感

2、器變成電信號。該實驗裝置是一個重1.4噸的鋁棒，在垂直于圓柱軸線的對稱截面上支承。著名引力波探測實驗1974年，Hulse和Taylor發現了第一顆射電脈沖雙星PSR 1913+16。這個雙星系統軌道周期的變化與引力波輻射損耗的預言相吻合，從而間接證明了引力波的存在。二人也因此獲得1993年的Nobel物理學獎。Tips：根據廣義相對論，雙星系統是一種旋轉著的質量四極矩。它應能以輻射引力波的方式輻射能量。與所有束縛在一起的二體引力系統一樣，其運行軌道周期將隨著能量的輻射而減少。要使這些天體產生的物理效應能被測量，至少應滿足兩個條件：軌道非常小(兩子星足夠近，以使廣義相對論效應盡量明顯)有一種精

3、度很高的軌道周期測量方法。該雙星的兩子星的最大距離只有109m的量級(約一個太陽半徑),其中一個子星為脈沖星，這一條件剛好能符合之前的條件。引力波的振幅極小引力波探測難點引力波與物質作用時引起的尺度變化極小。以LIGO激光干涉法為例，LIGO的光路長度為1120km，此次探測到的引力波無量綱振幅h10-21，依據公式L=Lh，引力波在經過LIGO探測器時引起的尺度變化約為10-18m數量級，這一尺寸只有質子直徑(10-15m)的千分之一。事件類型到達地球的引力波無量綱振幅h雙星系統10-34黑洞形成前10-31高速旋轉的中子星（脈沖星）、致密天體被黑洞俘獲10-2710-26黑洞合并、大質量恒

4、星遺骸合并10-2110-20超新星爆發(迄今為止人類觀察到的最強引力波爆發)10-1610-17天體爆發形成的引力波源稀少類似于黑洞合并、超新星爆發等天文現象雖然在整個宇宙中較為常見，但在人類可探測范圍內的爆發事件即為有限，尤其是超新星爆發這類較強的引力波波源可能幾十甚至上百年才能遇到一次。激光干涉引力波天文臺(Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, LIGO)1991年，麻省理工學院與加州理工學院在美國國家科學基金會（NSF）的資助下，開始聯合建設LIGO。1999年11月建成，耗資3.65億美元。2005年-2007年，L

5、IGO進行升級改造，升級后的LIGO被稱為Advanced LIGO，簡稱aLIGO。2015年，最新的激光干涉引力波天文臺正式上線，其最敏感頻率(100-300Hz)理論上，該天文臺可以探測到3億光年遠的引力波事件。為簡單起見，僅考慮引力波一個偏振方向e+. 當不考慮引力波影響時(h+ = 0)，光在兩測試質量間往返一次所需的時間為： t2-t0=L/c引力波經過時，會引起光在兩測試質量間往返時間發生變化，這個變化量t 與引力波振幅成正比: t =Lh+/cLIGO簡介LIGO在美國華盛頓州利文斯頓和新澤西州漢福德同時分別安置了兩部完全相同的儀器，彼此相距3000千米。這樣可以有效剔除噪聲的

6、干擾。LIGO的主要測量儀器是利用F-P腔改進的邁克爾遜干涉儀。臂長為4km，經過F-P腔多次反射后，激光在真空管中通過的實際長度為1120km。利用能量循環裝置提高激光功率達到750kW。LIGO尖端技術通過對不同頻率敏感的傳感器(10Hz以上)主動探測地層的震動，同時綜合這些測量結果，后由計算機計算補償量，通過10向磁場隔震裝置進行補償。它的工作原理與主動降噪耳機類似。隔震技術-主動隔震LIGO尖端技術LIGO干涉臂光路所在管道內的大氣壓只有海平面大氣壓的約十億分之一(1uPa)。真空技術Tips：在非真空環境下，分子、空氣流和灰塵將會以如下方式影響系統的精度：1、降低反射鏡鏡面的質量，使

7、反射光斑質量變差。2、使激光在傳輸中發生折射，使光束偏離預定光路。3、產生嚴重的相干噪聲。管道被加熱到150-170并保持30天，以排除剩余的空氣。用類似于小型噴氣發動機的渦輪泵產生吸力，將大部分空氣吸出管道。電磁泵通過電磁吸引的方式，將少數孤立的氣體分子吸出管道。LIGO尖端技術LIGO用于測量的激光器是史上在該波段最穩定的激光器(P/P10-7) 。共采用4級裝置最后獲得穩定的功率為200W，波長為1064nm的激光。激光器Step1:由半導體激光器產生波長為808nm，功率約為4W的近紅外激光。Step2:將激光導入非線性環形振蕩器(NPRO)，經晶體降頻為1064nm的功率為2W的激光Step3:通過光放大設備使激光功率提升到35W。Step4:激光經高能振蕩器放大并整形，最后輸出波長為1064nm，功率為200W的激光。?LIGO尖端技術LIGO每天運行產生的數據都在TB量級，每天收集的數據都會被及時傳輸到超級計算機中進行存儲和處理。目前LIGO獲得的數據已經超過4.5PB(1PB=1024TB)。且以每年0.8PB的速度遞增。LIGO2015年全年的數據如果使用普通的四核計算機進行運算需要超過1000年。數據傳輸、存儲與計算LIGO尖端技術LIGO在測量臂管道中設置了大量的傳感器陣列，如震動傳感器、加速度計、磁強計、麥克風、微