Лазерный мир

Новое покрытие сверхточных зеркал обсерватории LIGO вступило в конфликт с используемой учеными системой лазеров. Специалистам пришлось переработать схему стабилизации длины плеча (arm-length stabilization, ALS) под новые условия.

Деон Хики (Deon Hickey), инженер-оптомеханик, в чистой комнате на южном участке физического факультета Австралийского национального университета, с оптикой для LIGO с новым покрытием / © Nic Vevers/ANU

Гравитационные волны впервые зарегистрировали по данным обсерватории LIGO в 2015 году. LIGO состоит из двух обсерваторий, разнесенных примерно на 3000 км. В каждой из них работает лазерный интерферометр, в систему которого входят вакуумированные трубы-плечи длиной четыре километра. Чтобы обнаружить гравитационные волны, физикам нужно разделить лазерный луч, провести его по плечам, в которых луч много раз отражается от высокоточных зеркал, и снова свести его воедино. Гравитационные волны смещают зеркала. Из-за многократного прохождения лазера по системе лучи накапливают влияние этих небольших смещений. Разделенные лучи возвращаются в точку сборки не одновременно. По разнице во времени возвращения лазерного излучения ученые делают выводы о гравитационных волнах. 

Чтобы лучше улавливать гравитационные волны, ученые модернизируют обсерватории. Сейчас зеркала LIGO весят около 40 килограмм, в A# их масса вырастет примерно до 100 килограммов. Они подвешены в системе многоступенчатой виброизоляции, а не жестко зафиксированы. При этом зеркала все еще должны быть точно позиционированы относительно друг друга, чтобы длина плеча системы не менялась.

Чтобы сохранять возможность проведения эксперимента, ученые создали систему стабилизации длины плеча (arm-length stabilization, ALS). Новое покрытие зеркал на основе AlGaAs/GaAs, которое планируют использовать в A#, снижает тепловой шум в системе, но поглощает излучение на длине волны 532 нанометра зеленого цвета. Именно его ученые применяют в актуальной ALS. При поглощении лазерного излучения новым покрытием модификация не имеет смысла.

Австралийские физики предложили схему ALS для нового покрытия зеркал и успешно протестировали ее. Работа опубликована в журнале Physical Review D.

Они использовали вспомогательный лазер с длиной волны 1596 нанометров в ближнем инфракрасном диапазоне, такое излучение арсенидное покрытие не поглощает. Его излучение преобразуется в третью гармонику зеленого излучения, а основной научный лазер на 1064 нанометра — во вторую гармонику. Стабильная разность частот между лазерами на 1596 и 1064 нанометрах позволяет ученым плавно переводить управление от вспомогательного лазера к основному.

Исследователи показали стабильную работу новой системы в настольном эксперименте — лазерная система работает, но пока в уменьшенном размере, а не непосредственно в обсерваториях. Переход между основной и вспомогательной лазерными системами стабильно повторялся в экспериментах, проведенных в разные дни. Физики оценили шум в системе на длине плеча 4 километра в 10 пикометров, что значительно ниже полной ширины резонанса плеча A# — около 1 нанометра. Шум в сто раз меньше измеряемой величины.

Авторы работы успешно продемонстрировали работоспособность новой лазерной схемы ALS, адаптированной под арсенидное покрытие зеркал. В дальнейшем они планируют повысить эффективность преобразования в третью гармонику, использовать малошумящие фотодетекторы и реализовать более плавную передачу управления между лазерами.

Evgenia Vavilova

Источник: https://naked-science.ru/article/physics/new-ligo-asl