激光干涉条纹锁定系统测量地面低频振动谱

　　1　引　言

　　在地面进行的高精度实验中,例如弱等效原理的实验检验,万有引力常数G的精确测量和引力波探测等实验[1-3],地面振动是一个重要的误差来源,需要仔细考虑或隔离。Berger利用激光应变仪测量地球应变在范围内的频谱,结果表明在整个观察的频带内其复功率谱近似以频率的平方衰减[4]。Cheng等人采用倾斜传感器对澳大利亚AIGO地下实验室里的两个正交方向上的地面倾斜角度位移谱进行测量,其结果表明在午夜比较安静的情况下, 1 Hz处地面倾斜噪声谱为rad/Hz;而在白天由于附近人为因素的影响,地面倾斜噪声增加到rad/ [5]。Liu等人利用水平折叠摆作为参考系对近海海潮进行测量[6]。Araya等人利用干涉仪制作的高灵敏度宽带地震仪,用一个悬挂镜子作为参考系,其敏感方向为地面水平方向,测量结果在1 Hz处的水平振动位移谱为m/[7]。激光干涉仪通常可用来测量微小位移的变化,安静环境下地面振动噪声水平的幅度达到了纳米量级,通常干涉仪将无法用来测量。本文采用一种反馈型激光干涉仪系统,利用长周期折叠摆为参考,对地面水平方面的振动噪声位移谱进行了测量。

　　2　测量原理与装置

　　2. 1　激光干涉仪系统

　　激光干涉仪测地面振动的系统原理框图如图1所示,由激光干涉系统、折叠摆参考装置、检测及控制电路、数据采集系统四部分组成。激光干涉系统是一个常用的迈克尔逊干涉仪,包括兰姆凹陷稳频激光、分束镜以及两个反射镜M1,M2和光电探测器PD(RS Ltd.OSD15-5T)等器件构成。激光干涉条纹由透镜会聚到光电探测器上。为降低低频1/f噪声,信号发生器产生的高频fm(这里设为1 kHz)正弦信号送到PZT1上,使PZT1的长度作频率为f的伸长缩短的周期运动,从而使得其光电探测器PD记录的干涉光强也随之发生周期性的变化,这里将这种工作在高频的干涉系统称为激光干涉调制测量系统[8]。这样的激光干涉调制测量系统再加上一个位移反馈执行机便构成一个常用的激光干涉锁定系统。如

图1所示, PZT2为位移执行机,通过检测控制系统反馈一电压给PZT2,从而改变M2的位置,始终维持M′2与M1的光程差始终不变,干涉仪的这部分放置在折叠摆的中间摆盘上,当地面水平振动频率高于折叠摆的共振频率时,干涉仪的输出就是地面的微振动。为减小空气扰动的影响,实验过程中将折叠摆系统放置在一玻璃罩中。鉴于光散粒噪声抑制考虑,通常激光干涉锁定系统维持在干涉极小(暗点)[9-10]。

　　2. 2　折叠摆隔振系统

　　折叠摆系统主要由正摆杆、倒摆杆、中间摆盘以及刚性支架与测量系统组成[11],将用作参考的反射镜通过一个质量块放置在中间摆盘上。这里出于稳定性的考虑,将折叠摆的周期设置在10 s左右。采用日本SONY公司生产的SET-B3型磁位移传感器来对折叠摆的运动进行测量,折叠摆在空气中的自由振荡曲线如图2所示。由该图很容易得知:折叠摆的固有频率f0=0. 116 Hz。图3为折叠摆水平隔振理论曲线,由图可知,折叠摆在0. 3 Hz处隔振率Hfp(ω)达到10 dB以上,在10 Hz处达到40 dB以上。由此可知,在0. 3Hz以上时折叠摆就具有较好隔振效果,即在0. 3 Hz以上频段范围,折叠摆可作为水平振动测量的参考系。