Передовой LIGO – оптическое устройство 2,5 мили длиной, известное как интерферометр, который использует лазерный свет, чтобы обнаружить гравитационные волны, прибывающие из отдаленных космических событий, таких как сталкивающиеся черные дыры или разрушающиеся звезды. Улучшение стабильности лазерного источника и уменьшение шума, который может скрыть слабые сигналы, прибывающие из гравитационных волн, могли помочь улучшить чувствительность датчиков гравитационной волны.«Мы сделали значительные успехи к стабильным лазерным источникам для датчиков гравитационной волны третьего поколения и прототипов тех», сказал Бенно Виллк из Института Макса Планка Гравитационной Физики (Институт Альберта Эйнштейна) и Лейбниц Универзитат Ханновер, лидер исследовательской группы. «Более стабильные лазеры позволяют интерферометрам ощутить гравитационные волны, которые более слабы и из источников еще дальше и таким образом показывают важное понимание астрофизических событий, включающих черные дыры и нейтронные звезды».О новой работе сообщили в двух новых газетах в Письмах об Оптике журнала Optical Society (OSA).
Развитие более стабильного лазераДостижение стабильной и последовательной лазерной власти, с минимальным шумом, крайне важно для эксплуатации чувствительных основанных на лазере инструментов как датчики гравитационной волны. Продвинутая система LIGO использует множество multiphotodetector, составленное из фотодиодов, которые преобразовывают свет в электрический ток, чтобы обнаружить любые колебания мощности в лазере и затем исправить эти вызывающие шум колебания, используя обратную связь.
Отдельное, идентичное множество multiphotodetector используется, чтобы гарантировать, что шум был уменьшен до желаемого уровня.«Хотя фотодиоды, как правило, используются, чтобы ощутить лазерный шум власти, они могут только принять приблизительно 50 милливатт легкой власти каждый, а не эти 200 милливатт, в которых датчик гравитационной волны нуждается для чувствительных шумовых измерений», сказал Виллк. Исследователи Института Альберта Эйнштейна преодолели эту проблему, разделив луч света среди четырех фотодиодов так, чтобы вместе, множество фотодиодов могло принять оптимальную сумму света и обеспечить более чувствительное шумовое обнаружение.
Чтобы проверить исполнение новых множеств multiphotodetector, исследователи поместили множества, идентичные тем используемым в Продвинутом LIGO в 10-метровый интерферометр прототипа AEI, инструмент испытательного стенда, используемый для оценки потенциальных модернизаций датчика гравитационной волны.Со множествами multiphotodetector в 10-метровом интерферометре прототипа исследователи продемонстрировали лазерную стабильность власти, которая была фактором пять лучше, чем, что было достигнуто другими группами. Стабильность соответствовала тесно к тому, чего они ранее достигли в настольном эксперименте лаборатории.«Эта работа показывает, что возможно передать уровень стабильности от хорошо изолированной среды оптического стола к сложной экспериментальной установке как этот 10-метровый прототип», сказал Виллк. «Мы показываем, что эти фотодиод выстраивает работу как ожидалось, означая, что должно также быть возможно достигнуть этой высокой стабильности с идентичными множествами multiphotodetector, используемыми в Продвинутом LIGO».
Формирование лазерного луча, чтобы уменьшить шумИсследовательская группа Виллка также продемонстрировала, что с несколькими незначительными модификациями, датчики гравитационной волны могли быть сделаны более чувствительными при помощи лазера в том, что называют способом Лагерра-Гаусса.
Продвинутая LIGO использует лазеры в стандартном Гауссовском способе, которые производят твердый круглый луч как лазерный указатель. Лазеры способа Лагерра-Гаусса производят луч, который похож на мишень. Исследователи предложили использовать лазеры способа Лагерра-Гаусса в концепциях проекта для датчика гравитационной волны третьего поколения, известного как Телескоп Эйнштейна, который, как ожидают, будет в 10 раз более чувствительным, чем сегодняшние инструменты.«Дизайн датчиков гравитационной волны следующего поколения не зафиксирован», сказал Виллк. «Поэтому мы проверяем различные типы лазеров и демонстрируем, являются ли такие лазеры доступными параметрами для новых датчиков гравитационной волны».
Исследователи нашли, что лазеры Лагерра-Гаусса не совместимы с устройствами, известными как «уборщики перед способом» который Передовое использование LIGO улучшить стабильность лазерного луча. Андреас Ноак, первый автор статьи, обнаружил, что зеркала, используемые в уборщиках способа, вызывают преломляющую ошибку, названную астигматизмом.
Используя геометрическую уловку, чтобы дать компенсацию за эту ошибку, исследователи построили измененное моющее средство перед способом и показали, что она дала компенсацию за астигматизм и передала способ Лагерра-Гаусса даже на высоком лазерном уровне власти, используемом датчиками гравитационной волны.«Этот новый тип уборщика перед способом сделает проекты, такие как телескоп Эйнштейна возможными», сказал Виллк. «Мы можем только построить эти типы датчиков гравитационной волны третьего поколения, если мы можем построить лазерный источник, который может использоваться с теми проектами.
Мы демонстрируем здесь дополнительный шаг в технико-экономическом обосновании для источника света, который мог использоваться в будущих датчиках гравитационной волны».