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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