用于检验洛伦兹不变性的法布里-珀罗型激光干涉仪

Testing the fundamental laws of physics with ever-increasing precision is one of the major tasks of the modern experimental physics. The Lorentz invariance, which is closely related to the isotropy of the speed of light, is the foundation of the theories of the special and general relativities. High-precision laser interferometers play an important role in the test of the Lorentz invariance. This project develops laboratory-operated ultra-stable laser interferometer using Fabry-Pérot cavities, systematically and quantitatively investigates various mechanisms that affect the stability of the interferometer, and experimentally tests the Lorentz invariance in electromagnetic section (photon). The long-term stability of the interferometer is enhanced by building the two interference arms in a single-piece Fabry-Pérot cavity, allowing a projected stability of 2E-16 for the relative frequency difference Deltv/v (v, optical frequency). Furthermore, correlation detection realized by a “twin”-interferometer architecture will upgrade the precision of the Lorentz-symmetry-violating parameter ke-(ZZ) to 4E-18. The investigation will sharpen our understanding of the crucial mechanisms that affect the stability of the laser interferometers and shed light on the difficulties of coping with thermal noise floors that have long haunted the precision tests of this type, providing a state-of-the-art experimental platform for future high-precision test of Lorentz invariance as well as many other related experiments on fundamental laws of physics.

现代实验物理研究的一项重要的任务是不断地对物理学基础理论进行高精度的实验检验。其中与光速各向同性密切相关的洛伦兹(Lorentz)不变性是狭义和广义相对论的理论基石之一。该课题研制实验室内运转的采用法布里-泊罗(Fabry-Pérot)腔的高稳定激光干涉仪，并利用该仪器在电磁段(光子)对洛伦兹不变性进行高精度的实验检验。由于该干涉仪的两个干涉臂是由一体化法布里-泊罗腔构成的，长期稳定性得到了提高，其关键参数两臂频差Deltv/v的稳定性将达到2E-16(v:光频)。进一步采用“孪生”双干涉仪相关检测的方法来提精度，对洛伦兹对称性破缺参数ke-(ZZ)的检验精度可达到4E-18。该项研究会使我们对影响激光干涉仪稳定性的关键因素有更深入的了解，有助于解决困扰这类实验检验的长期稳定性和热噪声问题，为今后开展洛伦兹不变性的高精度检验以及其它相关的基础物理实验提供一个高性能的实验平台。

现代实验物理研究的一项重要的任务是不断地对物理学基础理论进行高精度的实验检验,其中与光速各向同性密切相关的洛伦兹不变性是狭义和广义相对论的理论基石之一。本项研究研制实验室内运转的基于法布里-泊罗(Fabry-Pérot)腔的高稳定激光干涉仪，并利用该仪器在电磁领域段(光子)对洛伦兹不变性进行高精度的实验检验。干涉仪的两个干涉臂是由一体化的双法布里-泊罗腔构成，以提高干涉信号的稳定性。整个干涉仪位于一个连续转动的平台上，并利用地球自转和公转，从实验上确定RMS(Robertson-Mansouri-Sexl)和SEM(Standard model extension)检验模型中违背洛伦兹不变性参数的取值上限。.通过此项研究，在干涉仪相关关键技术上取得一系列重要成果。研制成线宽0.1Hz，频率稳定度为2.5E-16（1-10s）的连续波稳频激光。全面分析了剩余幅度调制的产生机理并找到了有效的控制方法，对于提高干涉信号的稳定度具有重要的应用价值。研制成干涉仪关键组件高精细度复合腔，精细度达到230,000-270,000。在多项关键技术基础上研制成高精度法布里-珀罗型激光干涉仪，干涉信号频率稳定度达到1E-16的量级。利用该干涉仪开展了对洛伦兹不变性的检验，系统已连续运转4个月，获得61天的有效数据。通过对数据分析，确定了RMS检验模型中光速各项异性参数为(1/2)*(Deltc/c)=(0.8±1.3)E-15，SEM中的检验参数确定为：(ke-)ZZ=(7.6±3.6)E-15, (ke-)XY=(2.2±1.3)E-15, (ke-)XZ=(2.6±1.6)E-15, (ke-)YZ=(4.7±1.8)E-15, (ke-)XX-YY=(5.8±2.6)E-15。此外也探索了采用“孪生”双干涉仪相关检测的新方法,为进一步提高对洛伦兹不变性的检验精度打下了基础。目前对洛伦兹不变性的检验精度已达到(1.3-3.6)E-15，后续将通过降低2倍转台频率处噪声来进一步提高干涉仪的性能，并连续积累检验数据一年以上，从而不断地提高洛伦兹不变性的检验精度。.本研究为洛伦兹不变性的高精度检验以及其它相关的基础物理实验提供一个高性能的实验平台，为基础物理学中新理论的发展提供实验方面的有力支持。相关成果在多项精密测量物理研究中也将会发挥重要的作用。