為(wei) 獲得足夠的靈敏度，高新LIGO 探測器在光學上采取了數個(ge) 增強措施[2]。首先，每個(ge) 幹涉臂本身是法布裏—珀羅諧振腔。進入幹涉臂的激光，不像一般邁克爾孫幹涉儀(yi) ，隻走一個(ge) 來回就回到分束鏡與(yu) 另一臂的光束發生幹涉，而是被“保存”在幹涉臂中一段時間。激光在法布裏-珀羅諧振腔中來回振蕩約300 次才返回分束鏡，意味著光場的相位對長度變化的敏感度得到了300倍的增強。或者換句話說，幹涉儀(yi) 的有效臂長提高了300 倍。與(yu) 此同時，腔中激光功率也因為(wei) 共振增強作用，提高了300 倍。其次，幹涉儀(yi) 工作在暗態附近，大部分激光被反射回原激光方向。因此，在激光之後、分束鏡之前，放置了一個(ge) 部分透過的鏡子，用以共振增強幹涉儀(yi) 中的激光，增強效果約35 倍。於(yu) 是，20W的激光輸入，在分束鏡處增強為(wei) 約700 W，在每個(ge) 臂中增強為(wei) 100 kW。另外，在幹涉儀(yi) 的輸出端也放置了一個(ge) 部分透過的鏡子，用於(yu) 增強信號提取和探測器帶寬。

所有這些幹涉儀(yi) 技術措施，都是為(wei) 了使引力波應變產(chan) 生的光學信號最大化，從(cong) 而降低光子散粒噪聲。光子散粒噪聲是由到達光電探頭的光量子的統計漲落引起的，它是激光幹涉引力波探測器高頻端的主要噪聲來源，它對信號信噪比的影響與(yu) 幹涉儀(yi) 中激光功率的平方根成反比。未來數年，高新LIGO 探測器計劃通過增加入射激光功率，把幹涉儀(yi) 中循環的激光功率提高至750 kW，進一步降低噪聲[4]。

為(wei) 實現這些增強功能，所有這些耦合的光學腔都需要通過伺服控製係統鎖定。幹涉臂中的法布裏—珀羅腔的腔長起伏穩定到小於(yu) 100 fm，而其他的光學腔保持在1 到10 pm 以內(nei) 。同時，每個(ge) 鏡子需要調節並保持與(yu) 光軸完美重合，偏差在數十個(ge) 納弧度以內(nei) 。

高新LIGO 探測器能夠探測極微弱的引力波應變，必然對環境中的微小振動非常敏感。它本質上是一個(ge) 巨大的地震儀(yi) ，可以感應附近路上的車輛，遠處海浪拍岸，還可感應地球上幾乎所有重要的地震。這些機械振動是低頻端的主要噪聲來源。為(wei) 降低震動噪聲，每個(ge) 鏡子都被懸掛在一個(ge) 複雜的四級擺係統上，如圖2 所示;而這個(ge) 四級擺係統又固定在一個(ge) 主動震動隔離平台上。以此來濾除大部分機械波，隔離外界的幹擾[5]。

 
在中間頻段，鏡子和懸掛裝置中分子的布朗運動引起的熱噪聲是主要噪聲源。幹涉儀(yi) 中鏡子直徑34 cm，厚20 cm，重達40 kg，選擇超高純熔石英材質，以降低熱噪聲。鏡子表麵的拋光精度達千分之一激光波長，也就是1 nm 左右(圖3)。鏡子上鍍了超低損耗電介質光學膜，300 萬(wan) 個(ge) 光子打在上麵隻會(hui) 吸收一個(ge) 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隔離平台上。在幹涉臂1.2 m粗的管道中，氣壓保持小於(yu) 1 μpa，以降低空氣瑞利散射產(chan) 生的相位起伏。

所有這些技術措施加在一起，使得高新LIGO探測器可以測量到10-19 m，也即小於(yu) 萬(wan) 分之一個(ge) 質子的長度變化。在最靈敏的100 —300 Hz 頻段，應變靈敏度達到前所未有的10-23/ √Hz ，使它能夠成功測量到GW150914 這個(ge) 雙黑洞合並事件。

3、邁克耳孫幹涉儀(yi) 、激光器

馬克斯·普朗克引力物理研究所所長布魯斯·艾倫(lun) (Bruce Allen)在評論成功探測引力波這個(ge) 突破時說[1]：“愛因斯坦當初認為(wei) 引力波太過微弱無法探測，並且不相信黑洞的存在。不過，我不認為(wei) 他會(hui) 介意自己弄錯了。”這個(ge) 曆史過程確實非常有戲劇性。其實，LIGO 探測器與(yu) 愛因斯坦、相對論還有其他有趣的聯係。

前麵講到，LIGO 探測器本質上是一個(ge) 邁克爾孫幹涉儀(yi) 。發明這種幹涉儀(yi) 的美國物理學家阿爾伯特·邁克爾孫和愛德華·莫雷在1887 年進行了一項實驗，試圖探測地球相對於(yu) “以太”的運動。圖4 是其幹涉儀(yi) 裝置圖。19 世紀後期，科學家們(men) 認為(wei) 光在“以太”中傳(chuan) 播。由於(yu) 地球以每秒30 km的速度圍繞太陽運動，因此在一年當中的大部分時刻，地球應該與(yu) “以太”有相對運動。兩(liang) 個(ge) 垂直方向的光速應該有所不同，在幹涉儀(yi) 上表現為(wei) 條紋的變化。但是，實驗的結果是否定的。這個(ge) 實驗被稱為(wei) “ 史上最著名的失敗實驗”，因為(wei) 它否定了以太理論，促使愛因斯坦提出光速不變原理——狹義(yi) 相對論的兩(liang) 個(ge) 基礎公設之一。愛因斯坦後來又在狹義(yi) 相對論的基礎上提出了廣義(yi) 相對論，而廣義(yi) 相對論預言了引力波。因此，這個(ge) 戲劇的情節鏈條是這樣的：一個(ge) 原初版的邁克爾孫幹涉儀(yi) 促使了相對論的誕生，相對論預言了引力波，一個(ge) 改良後的邁克爾孫幹涉儀(yi) 又證實了引力波的存在。愛因斯坦和我們(men) 都應當感謝這一種叫“邁克爾孫幹涉儀(yi) ”的測量儀(yi) 器。

　　圖4 邁克耳孫—莫雷實驗中的幹涉儀(yi) 裝置(它固定在一塊石板上，石板浮動在水銀槽上)

更有意思的是，愛因斯坦除了預言引力波，其實也為(wei) 探測引力波立下了汗馬功勞。

在邁克爾孫—莫雷實驗中，首先使用準單色的鈉黃光來調節幹涉儀(yi) 至等臂長的位置，然後切換至白光進行測量。因為(wei) 19 世紀沒有現代的技術手段，測量是靠人眼觀察來進行的。白光產(chan) 生的彩色幹涉條紋相比單色光產(chan) 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代的大型引力波探測器上的。一方麵，這些光源空間上過於(yu) 發散，經過這麽(me) 長幹涉臂後隻有很小一部分光能反射回來;另一方麵，這些光源的相幹性太差，對臂長差異忍受度低，而且無法進行共振增強。引力波探測器都采用激光作為(wei) 光源，因為(wei) 激光的發散角小，相幹性好。而激光技術正是在愛因斯坦的受激發射理論基礎上發明發展起來的。意識到這一點，是不是更加佩服愛因斯坦的偉(wei) 大了。

目前高新LIGO 探測器上使用的激光器是波長為(wei) 1064 nm 的摻Nd 固體(ti) 激光器，它由一個(ge) 小功率的種子激光器和兩(liang) 個(ge) 放大模塊組成[6，7]，如圖5 所示。種子激光采用單塊晶體(ti) 的非平麵環形腔設計，非常穩定、小巧、可靠，可輸出2W功率的單縱模、單橫模激光。在經過由4塊晶體(ti) 棒組成的單程放大器後，功率可提高至35W。然後注入鎖定一個(ge) 同樣有4 塊晶體(ti) 的環形腔振蕩器， 獲得220 W 輸出。在這之後，激光係統還要通過兩(liang) 次模式清理，獲得完美的高斯基模，穩定功率，鎖定至高精度參考腔以穩定波長，然後才被注入至幹涉儀(yi) 。這裏采用的固體(ti) 激光技術是LIGO建設階段最為(wei) 成熟可靠的技術，未來可以采用光纖激光技術簡化激光器係統[8，9]。激光係統中的放大器部分可以替換為(wei) 兩(liang) 級單模Yb光纖放大器，其增益介質為(wei) 細小的單模光纖，光在10 μm粗的纖芯中傳(chuan) 播。因為(wei) 單模光纖已經是完美的分布式空間濾波器，所以激光係統也就不再需要後麵的模式清理腔了。

　　圖5 (a)激光器係統結構示意圖[6];(b)非平麵環形腔種子激光器;(c)LIGO 激光器平台照片[5]

4、其他引力波探測器

在GW150914 事件中，引力波首先到達美國南部路易斯安那州的探測器，6.9 ms 後到達美國西北部華盛頓州的探測器。從(cong) 這個(ge) 時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(guan) 注的引力波的波長在3000 km量級，波源的定位能力決(jue) 定於(yu) 波的衍射，也就是波長除以探測器間距。這是兩(liang) 個(ge) 相同的LIGO 探測器建設在美國大陸兩(liang) 端的原因(圖1)。但是這個(ge) 間距還是遠遠不夠的。當然，兩(liang) 個(ge) 或多個(ge) 探測器聯合進行測量，可以同時有效排除虛假信號的幹擾，極大地提高測量的可信度。在高新LIGO 探測器之後，陸續還會(hui) 有意大利的高新Virgo 和日本的KAGRA 完成。在首次探測到引力波的新聞發布之後，印度政府隨即通過了印度的LIGO 計劃。這些激光幹涉裝置將組成一個(ge) 大型的引力波探測器網絡，聯合進行引力波測量與(yu) 定位。

另外，測量不同偏振態的引力波也是需要考慮的問題。像LIGO 這樣的L 字型激光幹涉儀(yi) ，因為(wei) 方位角的關(guan) 係，總會(hui) 有某個(ge) 線偏振態是無法感應的。在地球表麵不同位置，布置不同方向的引力波探測器，可以解決(jue) 這個(ge) 問題。

歐盟的科學家還提出了一個(ge) 所謂第三代地基引力波探測器，名字就叫作“愛因斯坦天文台”(圖6)，目前還在設計研究階段[10]。這個(ge) 探測器將像日本的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(ge) 臂組成，臂長為(wei) 10 km，探測目標在比LIGO 略低的頻段。

　　圖6 歐盟設計計劃中的愛因斯坦望遠鏡[10]

為(wei) 測量更低頻率的引力波信號，幹涉儀(yi) 的臂長需要進一步增加，科學家們(men) 把視線望向了空間。激光幹涉空間天線(laser interferometer space antenna，LISA)是歐空局提出的空間引力波探測計劃，中間經曆了兩(liang) 次修改，目前的設計稱為(wei) 演化激光幹涉空間天線(evolved laser lnterferometer space antenna，eLISA)(圖7)。eLISA 是由間隔100萬(wan) 公裏，呈近似等邊三角的3 個(ge) 衛星組成的一個(ge) 巨型的激光幹涉儀(yi) 。由於(yu) 它百萬(wan) 公裏的臂長，沒有地麵的震動幹擾，可探測0.1 mHz—1 Hz 頻段的豐(feng) 富天體(ti) 過程的引力波信號[11]。

　　圖7 演化的激光幹涉空間天線[11]

我國由於(yu) 空間技術的發展，對於(yu) 空間激光幹涉引力波探測表現出強烈的興(xing) 趣。目前，有兩(liang) 組科學家提出了“太極”和“天琴”兩(liang) 個(ge) 空間激光幹涉引力波探測計劃。其中“太極”計劃有兩(liang) 個(ge) 方案：一是參加歐空局的eLISA 雙邊合作計劃;二是在2033 年前後發射中國的引力波探測衛星組，與(yu) 預計2035 年發射的eLISA 互相補充和檢驗。“天琴”計劃則是由中國科學家主導的空間引力波探測計劃，與(yu) eLISA 和“太極”類似，隻是它采用地球軌道。因此，“天琴”的技術難度略低，不過受地球重力場影響略大[12]。但是，“天琴”和“太極”計劃至今還都沒有跨過立項的門檻。

5、結束語與(yu) 展望

愛因斯坦當年認為(wei) ，自己預言的引力波太過微弱而無法探測，這是基於(yu) 當時技術條件合乎情理的判斷。技術的發展需要時間，而這100 年技術的發展已經遠超當年最聰明之人的想象了。愛因斯坦提出了受激發射理論，但是他也無法預測基於(yu) 此理論發明、發展的激光技術會(hui) 如此重要，在科研、國防、工業(ye) 、醫療、互聯網等社會(hui) 生活的方方麵麵得到廣泛應用，也不會(hui) 想到，基於(yu) 自己理論發明的激光技術會(hui) 在探測基於(yu) 自己理論預言的引力波中發揮關(guan) 鍵作用。

基礎科學和技術的發展有各自內(nei) 在的邏輯，但更重要的它們(men) 確實互相促進。首次探測到引力波可以說主要是一項技術的突破，從(cong) 此人類有了“傾(qing) 聽”宇宙的能力。已有的、在建的、未來的地麵、地下、空間激光幹涉引力波探測器組成龐大的“助聽器網絡”，使得人類能夠分辨宇宙深處波瀾壯闊的樂(le) 章。探測到GW150914 引力波信號，隻是一個(ge) 新時代的開端。可以預見，隨著激光幹涉引力波探測器靈敏度的進一步提高，引力波天文學將極大地提升人類對宇宙的了解，並有可能帶來係列基礎科學新發現。

更為(wei) 有趣的，有人把首次探測到引力波與(yu) 1887 年赫茲(zi) 成功探測到電磁波聯係起來。引力和電磁力都是長程力，可以遠距離傳(chuan) 播和探測。當年，赫茲(zi) 在論文的結尾寫(xie) 道，“我不認為(wei) 我發現的無線電磁波會(hui) 有任何實際用途”。但是，我們(men) 都已經了解，現代生活已經離不開電磁波了。愛因斯坦當年也不可能認為(wei) 引力波會(hui) 有實際用途。引力波將首先被應用到天文和宇宙學的研究上，它有沒有可能像電磁波一樣應用於(yu) 通信，應用於(yu) 星係尺度的長距離聯絡?雖然目前看起來匪夷所思，隻可能存在於(yu) 科幻小說中，但技術的發展常給人驚喜，誰知道未來會(hui) 怎樣呢。

　　參考文獻

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