（1）实验原理(限1000字以内)

激光干涉引力波天文台（the Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, LIGO)装置进行引力波探测的基本原理是比较光在其相互垂直的两臂中度越时所用的时间。当引力波在垂直于激光干涉仪所在的平面入射时，由于特殊的偏振特性，它会以四极矩的形式使空间畸变，也即会以引力波的频率，在一个方向上把空间拉伸，同时在与之垂直的方向上把空间压缩，反之亦然。引力波使两束光的光程差发生改变，根据探测到的干涉强度变化即可探测引力波。激光干涉仪引力波探测器就是在迈克尔逊干涉仪的基础上，加入了分光镜、法布里-玻罗腔、功率循环镜和其他部件。其基本光学结构如下图：

对输入光束进行相位调制，然后在功率循环腔中建立共振。相位调制边带只在功率循环腔中共振，底部光电探测器上的光入射时携带了引力波信号。引力波引起的相位变化与迈克尔逊干涉仪臂长成正比，该干涉仪实际臂长为4km。为了进一步增加臂的长度，使用法布里-玻罗腔，腔体由前后两面镜子组成，若外部输入波长和腔长L满足=2L/n（n是任意正整数），入射的激光束在腔内多次来回反射，发生正共振，光在里面来回往返400次，此时腔内积累的光功率达到最高。在激光器和分光镜之间放上一面功率循环镜，可以把干涉仪亮口处的光重新收集起来，再注入干涉仪中，进行循环利用。

LIGO对系统中的光学镜片都有十分苛刻的要求。分光镜要把入射光分成强度严格相等的两束。法布里-玻罗所用的四面镜子（迈克尔逊干涉仪的臂）必须具有相同的光学特性：透过率、表面质量和反射损耗。在LIGO中，为了在整个表面上提供均匀的光学特性，镀膜厚度要均匀，且材料导热性能要好。光学元件面型精度要求PV值小于/100，RMS值小于/1000，曲率半径大于6 km，且半径误差的测量误差小于3%。

其他的关键元件有清模器、激光功率和频率稳定系统、光杠杆等。清模器保证激光束的横向剖面是纯净的TEM₀₀（基模厄米-高斯）模式，主体部分是一个具有较高透射率的行波谐振腔，常采用由三面光学镜组成的锐角三角形结构。为了控制激光功率涨落的霰弹噪声，激光器的输出功率不但要大（十几瓦到两百瓦左右），还要有较高的稳定性。激光频率涨落引起的频率噪音会严重影响干涉仪灵敏度，所以要求光束具有单一的振动频率。为了对测试状态进行实时控制，需要使用光杠杆，使干涉仪稳定地保持锁定状态。

知识点集群：共7个

   1. 激光干涉原理

   2．激光器功率和稳频原理和控制

3．法布里-玻罗腔原理和控制

4. 功率循环技术原理和方法

5. 光学镜面型测量和镀膜方法

6. 清模器原理和方法

7. 光杠杆原理和方法

（2）核心要素仿真设计（对系统或对象的仿真模型体现的客观结构、功能及其运动规律的实验场景进行如实描述，限500字以内）

仿真场景将包括：

1 激光谐振腔

2 激光稳频系统

3 清模器

4 功率循环镜

5 光杠杆

6 法布里-玻罗腔

7 干涉探测器

8 数据显示和分析平台

稳频激光的生成与控制系统如下图所示。

A 通过调节激光器主要部分的参数，调节生成激光的频率、噪声、功率、模态等，学习稳频激光控制系统各部件的工作原理及其对生成激光性能的影响。

B 仿真两束激光在两个臂的法布里-玻罗腔内的往返传播过程，了解各元件的吸收、杂散光、表面质量以及环境干扰对干涉测量结果的影响。

C 了解高质量探测器的工作原理以及量子噪声、热漂移的抑制机理。掌握通过干涉信号解析引力波的计算过程。

对于社会公众的科普演示，参与者通过VR眼镜接入到虚拟LIGO实验环境，在虚拟实验设备上，由科普人员介绍LIGO的原理及各子系统功能；系统根据默认参数自动调整好光路，打开激光器，在探测器端演示空间应变（引力波到达）情况下干涉信号的变化；

对于高中生的简单实验操作，参与者通过VR眼镜接入到虚拟LIGO实验环境，教师讲解LIGO的原理及各子系统功能之后，学生打开激光器，调节激光器的输出功率，在探测器端观测干涉信号的信噪比，获得对量子噪声及探测灵敏度的直观认识。

对于本科生的实验教学，参与者通过VR眼镜或者电脑网页端接入到虚拟LIGO实验环境，了解LIGO的原理及各子系统功能之后，学生依据实验步骤开展实验。根据教学内容调整相应子系统的参数设置，进行局部或者整体的光路调节，通过反馈数据和图标，不断调整实现一定的科学目标。比如最基本的法布里-玻罗腔长度调整，或者激光功率和频率稳定，信噪比及灵敏度测量等。也可进行试错，体会错误操作带来的问题，让参与者更深刻的记忆和理解LIGO的原理和操作。如果中途实验失败，还可以存档，并读取存档，从错误之前开始。

虚拟实验操作时，系统根据同学的操作的合理性和操作结果及时给出反馈指导，实验结束后，根据最终结果和分步操作的成绩综合判定分数。

后续项目中，我们还将加入研究模式，由科研人员按照自己的需要插入模块或设置子系统参数、开发仿真算法。

（1）学生交互性操作步骤，共步

（2）交互性步骤详细说明

以下操作和交互流程为全流程介绍，对于不同的任务等级，将做不同的省略或者自动化运行。（以下每个交互步骤实际包含至少10次以上操作）。

1打开所有机柜电源，机器电源。注意顺序。调整好所有系统的初始值。

2通过操控激光器，激光出束。

3通过操作激光功率和频率稳定系统，达到激光功率和频率稳定。

4通过操作清模器，保证激光束的横向剖面是纯净的TEM₀₀（基模厄米-高斯）模式。

5通过调整腔长满足激光束在腔内发生正共振，多次来回反射在腔内积累光功率。

6通过调节功率循环镜，重新收集干涉仪亮口处的光并注入干涉仪中进行循环利用。

7通过调整光杠杆，使干涉仪稳定地保持锁定状态。

8光电探测器捕获干涉信号，并观察干涉信号。

9通过将得到的干涉数据导入数据分析平台，对数据进行深度处理，得到引力波相关参数信息。

10将各设备恢复到安全参数，然后按顺序关机。

注：

LIGO虚拟仿真调节的最终考核结果应当基于引力波探测的灵敏度，而其灵敏度则取决于各子系统的调节质量。例如激光功率和频率的稳定性，清模器的输出模式，FP腔内光功率，探测器噪声功率等，均会影响系统的信噪比从而影响灵敏度。因此，围绕最终考核结果，我们可以设置一系列阶段性指标，如激光稳定性，模式纯净度，腔内光功率，信噪比等作为考核依据，以判断实验是否成功。