引力波探测：激光干涉原理

1. 核心目标：引力波探测的核心目标是直接测量引力波引起的、极其微小的时空应变。时空应变（ΔL/L）描述了引力波引起的相对长度变化。例如，对于天体物理事件产生的引力波，这个数值通常在10⁻²¹甚至更小，这意味着对于一支千米长度的测量臂，其长度变化量小于一个质子直径的万分之一。

2. 探测的基本物理思想：引力波在传播时，会在垂直其传播方向的平面上产生交替的拉伸和压缩效应。设想在真空中放置两个自由悬浮的测试质量，它们之间的距离会随着引力波通过而产生周期性的微小变化。直接测量这一距离变化，就是引力波探测的直接方法。

3. 迈克尔逊干涉仪的升级：传统的激光干涉技术是探测这种微小距离变化的理想选择。其基本原理基于迈克尔逊干涉仪。一束激光被分束器分成两束，分别射入两个相互垂直的干涉臂，在臂末端被反射镜反射回来，在分束器处重新汇合发生干涉。如果两臂长度严格相等，光程差为零，可以调节形成相消干涉，使光电探测器的输出信号（光强）为极小值。

4. 关键技术与增强手段：

   • 长臂长：为了放大微小的距离变化（ΔL），需要尽可能增大臂长（L）。地面探测器（如LIGO、Virgo）采用长达数公里的臂。空间探测器（如计划中的LISA）的臂长更是达到数百万公里。
   • 法布里-珀罗谐振腔：在每个干涉臂中，并非简单地放置单面反射镜，而是设置了法布里-珀罗谐振腔。它由末端的大质量测试质量（作为反射镜）和输入镜构成。激光在谐振腔的两个镜面之间多次反射（约300次），等效地将有效光程长度增加了数百倍，从而极大地放大了由引力波引起的相位变化。
   • 功率循环：在干涉仪的输出端，大部分未被相消干涉抵消的光会返回激光源方向。通过使用一个“功率循环镜”，将这些光再次反射回干涉仪，使其在干涉仪内循环利用，显著增加了干涉仪内循环的激光功率（可达数百千瓦）。这提高了信噪比，因为激光的散粒噪声是主要的噪声源之一，更高的功率意味着相对更小的量子噪声。

5. 信号读取：当引力波经过时，它会改变两个干涉臂的长度，一个臂轻微伸长，另一个臂轻微缩短，从而破坏了原有的完美相消干涉状态。这导致汇合后的激光产生一个微小的、与引力波应变成比例的强度变化。这个极其微弱的光强变化信号（包含了引力波的信息）被高灵敏度的光电探测器捕获，并转化为电信号。

6. 噪声控制：这是探测成败的关键。主要噪声源包括：

   • 地震噪声：低频段的主要噪声。通过复杂的多级摆悬挂系统来隔离地面振动，使测试质量在探测频段内近似“自由悬浮”。
   • 热噪声：来自悬挂装置和反射镜镜面涂层的分子布朗运动。需选用低机械损耗材料，并将核心部件冷却至极低温度。
   • 散粒噪声：激光光子到达探测器的量子涨落。提高激光功率是主要抑制手段。
   • 辐射压力噪声：高功率激光光子对反射镜的随机动量冲击。它是散粒噪声在低频段的“共轭”噪声。
   • 牛顿噪声：环境质量密度起伏（如空气流动、周围地质活动）引起的局部引力场变化。难以屏蔽，是未来低频探测器的主要挑战之一。

7. 实际探测器网络：单一的探测器无法确定引力波源的方向，也无法排除局部干扰。因此，需要由多个探测器（如LIGO的两台、Virgo、KAGRA等）组成全球网络，通过比较信号到达不同探测器的时间差和相位差，可以对波源进行精确定位，并交叉验证信号的真实性。