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KAGRA 新型引力波望远镜依靠低噪声的 Mephisto 激光器

挑战

位于日本神冈的大型低温引力波望远镜 (KAGRA) 是最新的引力波天文台,于 2020 年投入使用。与 LIGO 和 Virgo 一样,KAGRA 是基于激光器的迈克尔逊干涉仪。 当重力波穿过该地点时,会导致两个干涉仪臂的长度发生微小变化。 KAGRA 臂长 3 公里,而一个大引力波可能会导致小于质子直径千分之一的长度变化,即 10-19 米。 因此,要想检测到这些引力波,信噪比是个巨大的挑战。

解决方案

KAGRA 是第一台位于地下的大型引力波望远镜,这种设计可以降低地面震动和重力梯度带来的噪声影响。 它也是第一个在低温(20 K)下运行以抑制热噪声的设备。 这就决定了这些镜片需要使用蓝宝石,因为蓝宝石在这种低温条件下导热性高,而且对 1064 nm 激光波长透明度高。

相干公司的 Mephisto 用作激光振荡器,原因与在 LIGO 和 Virgo 中使用此激光器的原因相同;它是迄今为止激光行业中认可的低噪声激光器,无论是在幅度还是频率方面都是如此。 这是因为它以非平面环形振荡器 (NPRO) 为基础,其中一个单晶体形成了整个激光腔,提供本质稳定的性能,而此性能通过使用专门设计的电子器件得到进一步提高。 然后,Mephisto 的低噪声 1064 nm 输出通过固态放大器放大到 60 瓦的功率,并且相位和幅度噪声得到进一步抑制。 这导致干涉仪臂中的循环功率电平约为 0.4 兆瓦。

KAGRA 由东京工业大学运行,还与 LIGO 和 Virgo 配合提供更高精度的数据和方向信息。

成效

一旦 KAGRA 达到其设计灵敏度,它就会记录许多引力波事件。 工程师和科学家们已经在研究如何进一步提高这些干涉仪的性能 — 虽然它们的高性能本就令人难以置信! 这项工作中,有一部分是在隶属于 KAGRA 的东京工业大学的实验室中进行的。 在这里,Kentaro Somiya教授及其同事正在研究降噪。 Somiya 解释说:“由于 KAGRA 的热噪声降低,在不久的将来,数据将主要受到激光系统中量子噪声的限制。所谓的量子噪音指在量子物理学的极限范围内,激光幅度和相位的不确定性。 我们正在开发几种新方法来减少这种量子噪声。 如果没有 Mephisto 振荡器的自然低噪声,这项工作是不可能完成的。”他们的目标是在 KAGRA+ 和其他新一代引力波望远镜中使用这些技术。 Somiya教授计划是先在德国的 600m 引力波探测器 GEO-HF 中使用他的尖端技术,从而提高其在 kHz 范围内的灵敏度,以便观察到由中子星合并引起的时空涟漪的清晰痕迹。

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“我们正在研究量子物理学极限范围内的降噪技术。 如果没有 Mephisto 激光器的自然低噪声,这将是不可能的做到的。”

Kentaro Somiya,东京工业大学副教授,日本东京

 



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