负刚度隔震台促进了引力波的探测和测量_Minusk

在20世纪70年代，美国物理学家Rainer Weiss提出了使用激光进行干涉引力波探测的概念。在过去几十年的广泛深度研究中产生了极其先进的干涉测量技术，这为观察宇宙中以前无法研究的现象奠定基础并提供有利的方法。

德国汉诺威的马克斯·普朗克引力物理研究所(又名阿尔伯特·爱因斯坦研究所)的激光干涉测量和引力波天文学部门研究小组组长Harald Lück博士说:“通过激光干涉测量的方法，我们不仅可以从宇宙中其他地方获取信息，而且还可以追溯到更远的时间，获取更多的信息。”

负刚度隔振：

负刚度隔振器是由Minus K科技公司开发的，这些Minus K隔振台结构紧凑，不需要电力或压缩空气，这使得敏感仪器可以被放置在生产设施或实验室需要的任何地方，没有电机、泵或腔体，也没有维护，因为没有任何东西可以磨损，它们纯粹以被动的机械模式运行。

负刚度隔振台的优势是：它们在多个方向上都能实现高水平的隔震。这些隔振台可以灵活地使垂直和水平方向的共振频率达到0.5Hz（有些版本水平方向为1.5Hz）。在这里值得注意的是，对于自然频率为0.5Hz的隔振系统，隔震从0.7Hz开始，并随着振动频率的增加而改善，自然频率更常用于描述系统的性能。

负刚度隔震台的发明者、Minus K技术公司总裁兼创始人David Platus博士说："垂直运动隔震是由一个支持重量负荷的刚性弹簧与一个负刚度机制相结合提供的。"在不影响弹簧的静态负载支撑能力的情况下，使净垂直刚度变低，与垂直运动隔振台串联的梁柱提供水平运动隔震，梁柱的作用是与负刚度机构相结合的弹簧。其结果是一个紧凑的被动隔振台，能够实现低的垂直和水平自然频率和高的内部结构频率。

通过透射率曲线可知，负刚度隔离器具有很高的性能。振动传递率是相对于输入振动通过隔振台传递的振动的量度。负刚度隔震台在调整至0.5Hz时，频率越高，隔振效率越好，在2Hz时可实现约93%；5Hz时为99%；在10Hz时为99.7%。

"我们使用的系统的一个问题是抑制共振。"Lück博士补充说。在这里，负刚度隔离器通常被认为是不能够实现预期效果的，但是恰好相反，在此应用中，它的缺点变成了优点，促进实验研究的进步。如果建立一个低频悬挂系统，就会发现，机械Q值（the mechanical Q values）下降，耗散（the dissipation）上升，这就是Minus K隔振台用于保持低的共振峰值的原因，这也是将这种看似不利的因素变成优势的巧妙运用。

探测和测量引力波需要极其灵敏的仪器：

阿尔伯特·爱因斯坦研究所的激光干涉测量和引力波天文学部门和其英国同事以及汉诺威莱布尼茨大学共同合作，一起操作引力波探测器GEO600。GEO600是位于德国汉诺威附近的地面干涉引力波探测器，由马克斯·普朗克协会和科技设施委员会资助。GEO600项目主要是通过激光干涉仪直接探测引力波。

GEO600的科学家们已经将干涉测量相关技术的研究推向高峰阶段，包括激光稳定、无吸收光学、控制工程、减振以及数据采集和处理。

Lück博士说：“引力波探测器GEO600是第一个使用挤压激光来提高灵敏度的引力波探测器。”因为它们具有挤压不确定性，可用于提高测量设备的灵敏度和限制超出的量子噪声，因此它的挤压态很受青睐。光的量子性质在所有频率下都有影响，但在大约1000到4000Hz(预计超新星和中子星诞生的信号)，量子噪声在这些高频率下占主导地位。因此，Lück博士团队正是在高频率下从挤压中获取最大利益。

Lück博士说：“单个光子将以不均匀的速度撞击探测器。由于量子涨落，这些光子将表现为波动的背景信号，这可能会完全掩盖事件本身预期的短引力波信号。”GEO科学家已经设法通过操纵波动来抑制不需要的信号噪声，从而产生这种挤压光。LIGO和Virgo现在都使用的都是挤压光，Virgo使用由GEO构建和操作的挤压光源，而LIGO使用自己设计的挤压光源。

LIGO探测器灵敏度的提高主要是因为引力波探测器GEO600开发和测试的多项技术已经为它奠定了强硬的基础。

保护光学器件免受地面振动的影响：

引力波干涉测量法的一个重大挑战是消除气压和温度波动等的干扰，以及可能隐藏信号的各种地面振动。

“所有引力波探测器的核心元素都是反射镜。” Lück博士说。用于引导激光束的GEO600反射镜大概重6公斤。这些反射镜是三重摆的悬挂方式，因此它们与各种干扰是隔离开的。另外，由石英玻璃制成的细线（熔融石英纤维）直接粘合到镜子和第二个摆锤块上，在接触点没有摩擦，因此减少机械损耗，提高了GEO600的整体灵敏度。

检测台、携带模式匹配的光学器件、法拉第隔离器、输出模式清洁器和光电二极管位于面包板上，面包板位于三个负刚度振动隔离器上来隔离地面运动，整个组件被封闭在一个真空室中。特别注意的是在真空室中支持面包板的隔振台的选择。在低于100Hz的低频范围内进行测量时，地面震动的干扰非常明显，之所以选择负刚度隔震台，是因为它们使用简单、结构紧凑，无需压缩空气或电子布线就能够操作。另外，在真空中，尽量减少连接电缆组件。

这些隔振台不仅与真空更兼容，而且比气动台或主动系统更可靠，因为它们具备非常好的隔振效果。