Лазерный мир

Чтобы услышать гравитационный рёв умирающих чёрных дыр, инженеры LIGO должны заставить лазерный луч пройти по четырем километрам вакуума и вернуться без заметных искажений. Но у этой чувствительности есть цена: новые, более совершенные зеркала для обсерватории Advanced LIGO+ (A#) созданы из материалов, которые буквально «съедают» зеленый свет на длине волны 532 нанометра, используемый для стабилизации длины плеча. Если оставить всё как есть, новое покрытие не только не повысит точность измерений, но и сделает систему управления нестабильной из-за теплового шума.

Лазерный обходной маневр

Команда физиков из Австралийского национального университета (ANU) столкнулась с дилеммой: как контролировать положение зеркал, если стандартный сигнал управления поглощается самим материалом? Они не стали бороться с физикой, а обошли её. Вместо того чтобы пытаться исправить характеристики покрытия, они предложили альтернативный маршрут для сигнала стабилизации длины плеча (ALS).

В основе решения лежит вспомогательный лазер с длиной волны 1596 нанометров — ближний инфракрасный диапазон, который арсенидное покрытие AlGaAs/GaAs не поглощает.

Механизм работы системы изящен в своей простоте. Излучение вспомогательного лазера преобразуется в третью гармонику, а основной научный лазер (1064 нанометра) — во вторую. Результатом становится стабильная разность частот между двумя источниками света. Это позволяет плавно и предсказуемо передавать управление системой от вспомогательного лазера к основному, минуя проблему поглощения.

Инженер Деон Хики и его коллеги собрали эту схему и успешно протестировали её, доказав, что система работает стабильно в разных условиях, что подтверждено публикацией в Physical Review D.

Граница между демонстрацией и инструментом

Ключевым доказательством работоспособности является уровень шума. Физики оценили шум в системе на длине плеча 4 километра в 10 пикометров. Для контекста: полная ширина резонанса плеча A# составляет около 1 нанометра. Получается, что неопределенность в позиционировании зеркала в 100 раз меньше величины, которую мы пытаемся измерить. Это значит, что система управления не будет «маскировать» гравитационные сигналы собственным джиттером.

Однако важно отделять победу в настольном эксперименте от готовности к эксплуатации в реальной обсерватории. Сейчас система продемонстрировала свою работоспособность в уменьшенном, настольном масштабе. Переход между лазерами стабильно повторялся в разные дни, что снимает вопрос о принципиальной несовместимости компонентов.

Но перед внедрением в 4-километровые вакуумные трубки LIGO стоят задачи, выходящие за рамки текущей демонстрации: необходимо повысить эффективность преобразования в третью гармонику, внедрить малошумящие фотодетекторы и сделать передачу управления еще более плавной. Пока это работающая модель, а не готовый компонент гигантского интерферометра, но именно такая модель необходима, чтобы не разрушить чувствительность будущих зеркал массой 100 килограммов, подвешенных в многоступенчатой виброизоляции.

Автор Михаил Коробов

Коробов Михаил Александрович (родился 15 января 2002) — внештатный корреспондент Pravda. Ru.

Куратор Сергей Белов

Белов Сергей Николаевич — историк науки с 27-летним стажем. Изучает развитие научных идей, институтов и научных школ.

Источник: https://www.pravda.ru/news/science/2428530-ligo-laser-stabilization-breakthrough/