基于TRIZ的光学干涉装置技术进化设计及其方法

本专利涉及利用TRIZ和光学干涉原理实现的精密测量领域，尤其涉及一种光学干涉装置技术进化设计及其方法。 

目前，光学干涉仪是许多大型探测仪器与产业发展的核心技术，其发展水平决定着探测仪器和产业竞争力，我国探测仪器设备产业缺乏核心技术，其发展面临内忧外困的局面，产业发展的落后已严重制约我国自主创新能力的进一步提升。“自主创新，方法先行”是提高我国自主创新能力的技术路线。国家发改委、科技部、教育部和中国科协印发了《关于加强创新方法工作的若干意见》，被欧美西方发达国家誉为“神奇点金术”的TRIZ作为重点推广的创新方法。 

TRIZ是基于千百万个高水平发明专利的统计而提炼出来的创新方法，是科学发现、技术研发和制造过程的精髓，是当今世界最先进的创新方法之一。在国家发改委、科学技术部、教育部和中国科协印发的《关于加强创新方法工作的若干意见》中，TRIZ作为重点推广的创新方法。 

爱因斯坦在创立广义相对论时，预言了引力波的存在。运用广义相对论引力辐射理论推导出关于引力波的三个结论：(1)引力波是存在的，以光速传播；(2)引力波是横波，有两种偏振态；(3)不存在单极和偶极的引力辐射，只要系统质量四极矩的三阶导数不为零，就有引力波被辐射。引力波带有能量，因而可以被检测。 

天文学家已间接验证了引力波的存在。1993诺贝尔物理奖得主是美国的泰勒(J.H.Taylor)和赫尔斯(R.A.Hulse)，得奖原因是他们对脉冲双星PSRl913+16的发现和研究，这个双脉冲星系统成为存在引力波的第一个间接观测证据。进而人类更加渴望直接探测到引力波，引力波探测的主要目的是探测引力波动效应，这不仅是直接检验爱因斯坦广义相对论，提供引力波存在的直接证据，其更大目的是认识宇宙的结构和演化过程的新奥秘。目前所进行的引力波探测活动大部分集中在利用地面激光干涉引力波探测器探测高频引力波，以及为预计能在2020年后实现的利用空间激光干涉引力波探测器探测中低频引力波进行的开发和准备工作。 

本专利运用TRIZ和光学干涉原理设计了一种光学干涉仪的技术进化模式，首先从贾民(Jiman)干涉仪进化成迈克耳孙干涉仪，然后从迈克耳孙干涉仪进化成高频引力波测量装置，最后从高频引力波测量装置进化成空间激光干涉引力波探测器。 

本发明提出利用TRIZ和光学干涉原理研究光学干涉仪的技术进化路线。从源头对贾民(Jiman)干涉仪进行分析，如图1所示，发现该仪器系统的适应性较差，限制了一些实验，根据2008TRIZ矛盾矩阵表推荐的八个相关发明原理作为技术进化路线，使用前三个发明原理将贾民干涉仪进化成迈克耳孙干涉仪，如图2所示，使用剩余的五个发明原理将迈克耳孙干涉仪进化成高频引力波测量装置，如图3所示。我们对高频引力波测量装置进行分析，发现该仪器系统探测到中低频引力波的适应性较差，根据2008TRIZ矛盾矩阵表，提高（改善）该装置对中低频引力波的“测量精度”，同时必须增大（恶化）该装置的“运动物体的面积”。根据TRIZ推荐的7个发明原理作为技术进化路线，可以将高频引力波测量装置进化成一种探测中低频引力波的空间激光干涉引力波探测器，如图4所示。 

本发明的有益效果是，原理简单实用，操作方便，便于生产和科研等应用价值。 

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。 

图1是贾民(Jiman)干涉仪光路图。 

图2是迈克尔孙干涉仪光路图。 

图3是高频引力波测量装置光路图。 

图4是空间激光干涉引力波探测器光路图。 

图1中S为激光器以及两块等厚度的玻璃块。 

图2中1.激光器；2.透明玻璃；3. 半透明半反射玻璃；4. 透明玻璃；5. 反射镜；6. 透明玻璃；7. 反射镜；8. 毛玻璃屏。 

图3中1.激光器；2.循环镜；3.半透明半反射玻璃；4. 相位调节器；5.反射镜；6.相位调节器；7.反射镜；8.光电二极管；9.差分器；10.相关器。 

图4中1. 航天器1；2. 航天器2；3. 航天器3；4. 地球；5. 太阳。 

本专利公开了利用TRIZ和光学干涉原理建立光学干涉仪的技术进化路线。首先从贾民(Jiman)干涉仪进化成迈克耳孙干涉仪，然后从迈克耳孙干涉仪进化成高频引力波测量装置，最后从高频引力波测量装置进化成空间激光干涉引力波探测器。1880年，美国物理学家迈克耳孙在柏林大学的H.V.亥姆霍兹实验室，探测地球在“以太”中运动时，将贾民干涉仪改进成迈克耳孙干涉仪。我们通过实验对贾民(Jiman)干涉仪进行分析，贾民(Jiman)干涉仪的干涉条纹明亮度比较高，如图1所示，但是两相干光束A和B分开的间隔与平行玻璃板厚度有关，这一间隔通常比较小, 限制了一些实验，因此仪器系统的适应性较差。根据2008TRIZ矛盾矩阵表，应该改善仪器系统的“适应性”，然而减弱（恶化）干涉条纹的“明亮度”。“适应性”和“明亮度”的工程参数序号分别为32及23，在矩阵表中，第32行与23列交叉处所对应的矩阵元素的数字为推荐的发明原理序号，即1，32，35，24，17，19，28，26。根据TRIZ推荐的8个发明原理作为技术进化路线，使用前三个发明原理将贾民干涉仪进化成迈克耳孙干涉仪，使用剩余的五个发明原理将迈克耳孙干涉仪进化成高频引力波测量装置。 

表1  2008TRIZ矛盾矩阵表 

根据TRIZ推荐的发明原理1分割：将物体分割独立的部分。将图1中的两块玻璃分割成六块较薄玻璃，分别放置图2中2、3、4、5、6和7。

发明原理32改变颜：改变一个物体的透明度。将图2中3玻璃改变为半镀银玻璃板，使其为半透明半反射玻璃。 

发明原理35改变特性：改变浓度或密度。在图2中，改变3半透明玻璃成分的浓度，使A线和B线间隔分开后更清晰；改变玻璃5和7部分成分浓度，将其改变成反射镜，3、4和6仍然是透明玻璃。 

以上三个发明原理将贾民干涉仪进化成迈克耳孙干涉仪，如图2所示。迈克耳孙发明了此干涉仪并使用其进行基本度量学研究获得1907年诺贝尔物理奖，他是第一位取得这种荣誉的美国人。 

根据TRIZ推荐的发明原理24、中介物：使用中间物体来传递或者执行一个动作。引力波作为中间物体可以执行一个动作。引力波垂直于激光的传播方向会产生与激光同频率扰动的光子流，使干涉条纹发生移动。 

发明原理17、转变到新维度：把光线投射到邻近的区域。因为引力波太弱了，把光线投射到邻近的区域，增加光程，使干涉臂的有效长度增加，才能提高测量精度，所以美国建造的引力波探测器臂长最长达到了4000米。如图3所示，根据发明原理17我们采用两种方法增加光程：（1）增加4和5之间的距离L1，增加6和7之间的距离L2；（2）将图2中4和6的透明玻璃改为图3中4和6的相位调节器，将2透明玻璃改为循环镜，使激光在4和5之间多次反射，使激光在6和7之间多次反射。 

发明原理19、周期性动作：如果作用已经是周期的，则改变其频率。当引力波来到时，作用于高频引力波测量装置光臂的激光上，改变了激光的频率，使干涉条纹发生移动。 

发明原理28、代替机械系统：用光、声、热、嗅觉系统代替机械系统。当引力波到达时，改变了激光的频率，使干涉条纹发生移动，用光电二极管探测干涉条纹移动引起的光强变化，判定引力波的存在。 

发明原理26、复制：用光学图像代替物体(或物体系统)，然后缩小或放大它。通过8光电二极管的光强变化，利用9差分器和10相关器复制光强与相位之间的关系，得到相位的变化，获得待测引力波的值。 

以上使用五个发明原理将迈克耳孙干涉仪进化成高频引力波测量装置，如图3所示。在高频引力波测量装置中，1.激光器；2.循环镜；3.半透明半反射玻璃；4. 相位调节器；5.反射镜；6. 相位调节器；7.反射镜；8. 光电二极管；9. 差分器；10. 相关器。其工作原理：由3个检验质量组成光学干涉仪的2个光臂。当2光臂相互垂直时，在入射引力波的作用下，2个光臂以相反的相位随着入射引力波振动。激光器发射的光束往返于2个光臂的检验质量之间。当有入射引力波存在的情况下，光电转换器件接收到从2个光臂来的光束间的位相差就会变化。激光干涉仪的臂长越长，能探测到的位相差也就越大。高频引力波(10 Hz-10 kHz)是高频引力波测量装置最敏感的频带。我们对高频引力波测量装置进行分析，如图3所示，发现该仪器系统探测到中低频引力波的适应性较差，根据2008TRIZ矛盾矩阵表，提高（改善）该装置对中低频引力波的“测量精度”，同时必须增大（恶化）该装置的“运动物体的面积”。“测量精度”和“运动物体的面积”的工程参数序号分别为48及5，在2008矛盾矩阵表中，第48行与5列交叉处所对应的矩阵元素的数字10、24、28、3、5、26及35为推荐的发明原理序号。根据TRIZ推荐的7个发明原理作为技术进化路线，可以将高频引力波测量装置进化成一种空间激光干涉引力波探测器。 

表2     2008矛盾矩阵表 

发明原理10、预操作：预先对物体进行特殊安排，使其在时间上有准备，或已处于易操作的位置。需要预先对整个测量系统进行特殊安排，如果使该装置恶化的“运动物体的面积”最节约，如图4所示，应该发射由位于等边三角形顶端三个航天器组成的引力波探测编组，3个探测器组成一个边长为103-109千米的等边三角形星座，即每两个航天器之间的夹角为60°，星座的中心运行于地球轨道上，且落后地球20°，星座平面与黄道面成60°夹角,这种设计是为了尽可能减少地球引力造成的影响。在时间上有准备，当3个探测器到达绕日的引力波探测实验轨道时，处于易操作的位置，然后用激光干涉方法直接探测引力波。

发明原理24、中介物：使用中间物体来传递或者执行一个动作。将引力波作为太空引力波探测器的中介物进行探测，引力波能够执行一个动作使干涉条纹移动。宇宙中存在的引力波波源主要有两类：孤立的天体产生的引力波和背景的随机引力波。中低频带引力波信号是该装置最敏感的频带。 

发明原理28、代替机械系统：用光、声、热、嗅觉系统代替机械系统。在空间探测器的激光器发出的光束经过在空间探测器的反射镜来回反射产生干涉，当引力波到达时，可以用光电二极管测量干涉条纹的移动。在每一个航天器上都有两个完全相同的光学台，包含有激光光源、光学分束器、光检测器、光学镜组等组成干涉仪的光学器件，以及一系列进行数字信号处理的电子器件。由于每两个航天器之间的夹角为60°，每个航天器上的每一个光学台都会和相邻的航天器上的光学台发生干涉，激光走完这段航天器间隔的距离需要一段时间。在每个干涉仪的后面安置有一个作为“测试质量”的合金立方体（75%金和25%铂），其中一个表面被打磨成光滑的平面镜用来反射激光。如果有引力波扫过测试质量，其位置的微小改变会引起干涉信号，即激光相位的改变，从这种相位变化即可推导出观测到的引力波的存在。 

发明原理3、局部质量：物体的不同部分实现不同的功能。引力波作为宇宙空间的一部分物质，具有其他部分物质不同的功能。引力波具有非常好的相干性，利用其相干性可以提高引力波的可探测性。在实际设计中，这种测量精度要求测试质量所处的环境高度稳定，其位置能够不受到外界光压和太阳风粒子的影响；并且该装置的干涉测量系统也要高度灵敏，使得真正需要的引力波信号不至于淹没在激光频率噪声等干扰的海洋中。除此之外，该装置还需要解决如何应对航天器运行对激光频率造成的多普勒效应的影响，激光长距离传输的损耗问等。 

发明原理5、合并：在空间上将相似的物体连接在一起，使其完成并行的操作。在空间上，中低频引力波和该装置的激光具有相似的相干性，引力波垂直于激光的传播方向会产生与激光同频率扰动的光子流，使其完成并行的操作，即干涉条纹移动。该装置在实际运行中每个航天器之间的距离达到几百万千米以上的长度可以探测到干涉条纹移动10皮米（1皮米等于10-12米）以上的长度变化。 

发明原理26、复制：通过虚拟现实技术可以对复杂系统进行研究。由于引力波与其他物质的相互作用很弱，因此早期宇宙中产生的引力波携带了早期宇宙的信息。该装置探测到的引力波，可以通过虚拟现实技术复制引力波源的情况，如果探测到宇宙大爆炸时产生的“原始引力波”，可以通过虚拟现实技术复制宇宙大爆炸时的情况。空间引力波探测的主要目的是探测引力波动效应，这不仅是直接检验爱因斯坦广义相对论，提供引力波存在的直接证据，其更大目是认识宇宙的结构和演化过程的新奥秘。 

发明原理35、参数变化：改变系统的物理状态。太阳系天体参数的变化，可以改变该装置系统中激光的状态，所以该装置应该能够测量太阳系天体参数的变化，例如测绘太阳系引力分布。 

以上根据TRIZ推荐的7个发明原理，将高频引力波测量装置进化成一种空间激光干涉引力波探测器，并预测了该装置探测引力波的结果。如图4所示，1. 航天器1；2. 航天器2；3. 航天器3；4. 地球；5.太阳。该装置的结构和工作原理：由3个探测器组成一个边长为103-109千米的等边三角形星座，即每两个航天器之间的夹角为60°，星座的中心运行于地球轨道上，且落后地球20°，星座平面与黄道面成60°夹角，这种设计是为了尽可能减少地球引力造成的影响。在每一个航天器上都有两个完全相同的光学台，包含有激光光源、光学分束器、光检测器、光学镜组等组成干涉仪的光学器件，以及一系列进行数字信号处理的电子器件。由于每两个航天器之间的夹角为60°，每个航天器上的每一个光学台都会和相邻的航天器上的光学台发生干涉，激光走完这段航天器间隔的距离需要一段时间。在每个干涉仪的后面安置有一个作为“测试质量”的合金立方体（75%金和25%铂），其中一个表面被打磨成光滑的平面镜用来反射激光。如果有引力波扫过测试质量，其位置的微小改变会引起干涉信号，即激光相位的改变，从这种相位变化即可推导出观测到的引力波的存在。