Advanced LIGO — это оптическое устройство длиной 2,5 мили, известное как интерферометр, которое использует лазерный свет для обнаружения гравитационных волн, исходящих от далеких космических событий, таких как сталкивающиеся черные дыры или коллапс звезд. Повышение стабильности лазерного источника и уменьшение шума, который может скрывать слабые сигналы, исходящие от гравитационных волн, могут помочь улучшить чувствительность детекторов гравитационных волн.«Мы добились значительного прогресса в создании стабильных лазерных источников для детекторов гравитационных волн третьего поколения и их прототипов», — сказал Бенно Вилке из Института гравитационной физики Макса Планка (Институт Альберта Эйнштейна) и руководитель исследовательской группы Университета Лейбница в Ганновере. «Более стабильные лазеры позволяют интерферометрам улавливать более слабые гравитационные волны от более удаленных источников и, таким образом, открывать важные сведения об астрофизических событиях, связанных с черными дырами и нейтронными звездами».
О новой работе было сообщено в двух новых статьях в журнале Оптического общества (OSA) Optics Letters.Разработка более стабильного лазераДостижение стабильной и постоянной мощности лазера с минимальным шумом имеет решающее значение для работы чувствительных лазерных инструментов, таких как детекторы гравитационных волн.
Система Advanced LIGO использует матрицу мультифотодетекторов, состоящую из фотодиодов, которые преобразуют свет в электрический ток, чтобы обнаруживать любые колебания мощности в лазере, а затем корректировать эти вызывающие шум колебания с помощью петли обратной связи. Отдельная идентичная матрица мультифотоприемников используется для снижения шума до желаемого уровня.«Хотя фотодиоды обычно используются для измерения шума мощности лазера, каждый из них может принимать только около 50 милливатт световой мощности, а не 200 милливатт, которые необходимы детектору гравитационных волн для чувствительных измерений шума», — сказал Виллке. Исследователи из Института Альберта Эйнштейна решили эту проблему, разделив световой луч между четырьмя фотодиодами, чтобы вместе набор фотодиодов мог принимать оптимальное количество света и обеспечивать более чувствительное обнаружение шума.
Чтобы проверить производительность новых массивов мультифотодетекторов, исследователи поместили массивы, идентичные тем, которые использовались в Advanced LIGO, в 10-метровый прототип интерферометра AEI, испытательный стенд, используемый для оценки потенциальных обновлений детектора гравитационных волн.С массивами мультифотоприемников в 10-метровом прототипе интерферометра исследователи продемонстрировали стабильность мощности лазера, которая была в пять раз лучше, чем была достигнута другими группами. Стабильность близко соответствовала тому, что они ранее достигли в настольном лабораторном эксперименте.
«Эта работа показывает, что можно перенести уровень стабильности из хорошо изолированной среды оптического стола на сложную экспериментальную установку, такую как этот 10-метровый прототип», — сказал Виллке. «Мы показываем, что эти матрицы фотодиодов работают, как ожидалось, а это означает, что также должно быть возможно достичь такой высокой стабильности с идентичными матрицами мультифотодетекторов, используемыми в Advanced LIGO».Формирование лазерного луча для уменьшения шумаИсследовательская группа Вилке также продемонстрировала, что с небольшими изменениями детекторы гравитационных волн можно сделать более чувствительными, если использовать лазер в так называемом режиме Лагерра-Гаусса.
Advanced LIGO использует лазеры в стандартном гауссовском режиме, которые создают сплошной круговой луч, похожий на лазерную указку. Лазеры с режимом Лагерра-Гаусса создают луч, который выглядит как яблочко.
Исследователи предложили использовать лазеры на моде Лагерра-Гаусса в концепциях конструкции детектора гравитационных волн третьего поколения, известного как телескоп Эйнштейна, который, как ожидается, будет в 10 раз более чувствительным, чем современные инструменты.«Конструкция детекторов гравитационных волн нового поколения не зафиксирована», — сказал Виллке. «Поэтому мы тестируем различные типы лазеров и демонстрируем, доступны ли такие лазеры в качестве альтернативы новым детекторам гравитационных волн».
Исследователи обнаружили, что лазеры Лагерра-Гаусса несовместимы с устройствами, известными как «очистители предварительного режима», которые Advanced LIGO использует для повышения стабильности лазерного луча. Андреас Ноак, первый автор статьи, обнаружил, что зеркала, используемые в очистителях мод, вызывают ошибку рефракции, называемую астигматизмом.
Используя геометрический трюк для компенсации этой ошибки, исследователи создали модифицированный очиститель предмодового излучения и показали, что он компенсирует астигматизм и передает моду Лагерра-Гаусса даже при высоком уровне мощности лазера, используемом детекторами гравитационных волн.«Этот новый тип очистителя предварительного режима сделает возможными такие конструкции, как телескоп Эйнштейна», — сказал Виллке. «Мы сможем построить эти типы детекторов гравитационных волн третьего поколения, только если мы сможем создать лазерный источник, который можно будет использовать с этими конструкциями. Мы демонстрируем здесь дополнительный этап технико-экономического обоснования для источника света, который может быть использован в будущих гравитационных волнах. детекторы ".