激光干涉仪观测引力波的难点

     二. 激光干涉仪观测引力波的难点
激光干涉法是测量微小距离变化的最佳手段之一，具有高的测量灵敏度，当引力波经过数km或更长臂长的干涉仪时，干涉仪的臂长发生微小的改变，从而引起干涉条纹变化。4对在真空中相距4km的40kg的玻璃镜子的距离，以原子核尺寸千分之一大小的振幅振动了十几次。这样微乎其微的振动，被打在这些镜子上的100kw的激光，读出引力波以光速传播，如相隔几千km的两个激光干涉仪观测站,均检测到相关的干涉条纹变化，就能直接证明有引力穿过激光干涉仪，最终实现引力波测量。引力波携带能量使物体产生某种振荡，检测到这些振荡，就能检测到引力波。引力波会造成地面上各处相对距离的变动，但这些变动的数量级小于10^(-21），非常微弱。
                        三.  激光干涉仪观测引力波的难点：
1)在2009 年的观测实验中，实现100Hz频率，距离变化探测灵敏度3X10^(-22）。探测灵敏度应优于10^(-24)[1]。目前人们的研究水平应该说仅仅到了刚好能够探测到引力波的程度[5]。 文[5]的说法与LIG0有的参与者介绍有差异，文[8]:在2005年到达了设计灵敏度，可以测量在60Hz至10kHz的引力波，位移变的灵敏度达到10^-21。
2）需要突破高频率和强度稳定的单频相干激光源。这个激光源位于L形两臂的相交处。
3）能抗环境干扰的稳定激光干涉臂。
4）空间超远距离的高精度测距。
5）在地面激光干涉仪中，对测量精度的要求越来越高，已经慢慢接近了量子力学不确定关系所给出的标准量子极限(standard quantum limit)。要进一步提高测量精度，增加探测到引力波信号的可能性，我们必须要突破这个极限。[5]
6）一般精密制造的光学反射镜，反射率最高达到99.8%;而用于引力波探测的光学反射镜反射率可达99.995%[5] 。
宏观物体量子力学,无论在理论上还是实验上,都存在着很多尚待解决的问题，如何排除环境干扰，在实验室展现一个宏观镜面的量子行为。[3]
7）最终目标是希望能找到一个可行的方案,来实现量子无损测量(quantum nondemolition detection)，这自然还有相当长的一段路要走。
陈雁北指出；
LIGO采用了高稳定性的大功率激光、高纯度的玻璃、最先进的镀膜技术、极低的机械损耗悬挂系统，并且在多个自由度的控制上，采用了数字控制系统。
李永贵强调了以下几点：【3】
8)机械减震。引力波干涉仪必须达到10^(-24)的干涉仪臂长相对变化的测量精度。一个臂长4km的干涉仪,该精度意味着测量系统在探测的频率上能够分辨一亿亿分之一米量级（即1/10000000000000000000000m）的臂长变化。为了防止悬挂反射镜受周围震动的影响，要采用一系列的减震技术。
9)控制技术。为实现超高的激光干涉仪灵敏度，干涉仪的反射镜有局部姿态控制环，全局定位控制环，光功率循环控制环，信号循环控制环，激光强度，频率稳定控制环，模选器控制环，等近10个交叉反馈控制环。
10)大数据处理。干涉仪工作后，如何从采集到的大量数据找到，并判断是引力波信号，需要海量的数据处理功能，它必然推动大数据处理方法，技术的发展。[3]
总的看来，这类检测设备的难点主要是两臂端口的反射面的材料、加工和控制等技术。涉及量子极限的难题。从技术指标上看，强调提高灵敏度，对抑制干扰是采用雷达的匹配滤波处理方式。
实际上这一测量技术在我国整体层面没有太大困难，镜面控制与卫星和导弹以及登月的机器人上面的反射面的材料、加工及控制技术，只要接轨研究，应该没有什么困难。但量子极限问题是个难题！在解引力波方程方法、计算、超级计算机、雷达降噪处理等方面也是有条件解决的。关键在于有没有必要重复别国走的路，我国的创新体现在哪里？！
                          二. 激光干涉仪观测引力波的难点
激光干涉法是测量微小距离变化的最佳手段之一，具有高的测量灵敏度，当引力波经过数km或更长臂长的干涉仪时，干涉仪的臂长发生微小的改变，从而引起干涉条纹变化。4对在真空中相距4km的40kg的玻璃镜子的距离，以原子核尺寸千分之一大小的振幅振动了十几次。这样微乎其微的振动，被打在这些镜子上的100kw的激光，读出引力波以光速传播，如相隔几千km的两个激光干涉仪观测站,均检测到相关的干涉条纹变化，就能直接证明有引力穿过激光干涉仪，最终实现引力波测量。引力波携带能量使物体产生某种振荡，检测到这些振荡，就能检测到引力波。引力波会造成地面上各处相对距离的变动，但这些变动的数量级小于10^(-21），非常微弱。
                        三.  激光干涉仪观测引力波的难点：
1)在2009 年的观测实验中，实现100Hz频率，距离变化探测灵敏度3X10^(-22）。探测灵敏度应优于10^(-24)[1]。目前人们的研究水平应该说仅仅到了刚好能够探测到引力波的程度[5]。 文[5]的说法与LIG0有的参与者介绍有差异，文[8]:在2005年到达了设计灵敏度，可以测量在60Hz至10kHz的引力波，位移变的灵敏度达到10^-21。
2）需要突破高频率和强度稳定的单频相干激光源。这个激光源位于L形两臂的相交处。
3）能抗环境干扰的稳定激光干涉臂。
4）空间超远距离的高精度测距。
5）在地面激光干涉仪中，对测量精度的要求越来越高，已经慢慢接近了量子力学不确定关系所给出的标准量子极限(standard quantum limit)。要进一步提高测量精度，增加探测到引力波信号的可能性，我们必须要突破这个极限。[5]
6）一般精密制造的光学反射镜，反射率最高达到99.8%;而用于引力波探测的光学反射镜反射率可达99.995%[5] 。
宏观物体量子力学,无论在理论上还是实验上,都存在着很多尚待解决的问题，如何排除环境干扰，在实验室展现一个宏观镜面的量子行为。[3]
7）最终目标是希望能找到一个可行的方案,来实现量子无损测量(quantum nondemolition detection)，这自然还有相当长的一段路要走。
陈雁北指出；
LIGO采用了高稳定性的大功率激光、高纯度的玻璃、最先进的镀膜技术、极低的机械损耗悬挂系统，并且在多个自由度的控制上，采用了数字控制系统。
李永贵强调了以下几点：【3】
8)机械减震。引力波干涉仪必须达到10^(-24)的干涉仪臂长相对变化的测量精度。一个臂长4km的干涉仪,该精度意味着测量系统在探测的频率上能够分辨一亿亿分之一米量级（即1/10000000000000000000000m）的臂长变化。为了防止悬挂反射镜受周围震动的影响，要采用一系列的减震技术。
9)控制技术。为实现超高的激光干涉仪灵敏度，干涉仪的反射镜有局部姿态控制环，全局定位控制环，光功率循环控制环，信号循环控制环，激光强度，频率稳定控制环，模选器控制环，等近10个交叉反馈控制环。
10)大数据处理。干涉仪工作后，如何从采集到的大量数据找到，并判断是引力波信号，需要海量的数据处理功能，它必然推动大数据处理方法，技术的发展。[3]
总的看来，这类检测设备的难点主要是两臂端口的反射面的材料、加工和控制等技术。涉及量子极限的难题。从技术指标上看，强调提高灵敏度，对抑制干扰是采用雷达的匹配滤波处理方式。
实际上这一测量技术在我国整体层面没有太大困难，镜面控制与卫星和导弹以及登月的机器人上面的反射面的材料、加工及控制技术，只要接轨研究，应该没有什么困难。但量子极限问题是个难题！在解引力波方程方法、计算、超级计算机、雷达降噪处理等方面也是有条件解决的。关键在于有没有必要重复别国走的路，我国的创新体现在哪里？！