天博体育app波検出におけるmephistoの応用

低ノイズとユニット间の高い整合性

最先端の天博体育app波用途におけるmephisto の性能に关する相互评価やその他の独立した第三者机关による评価、および关连する寿命试験のすべてにおいて、これらのレーザの优れた性能、信頼性、およびユニット间の高い整合性が里付けられています。

はじめに

低出力ノイズと超狭线幅の要件という点で、长経路干渉计に基づく天博体育app波検出（ gwd）cwレーザにとって原子冷却以上に最も要求の厳しい用途であることに异论を唱える人はほとんどいません。米国ルイジアナ州リビングストンとワシントン州ハンフォードの2 ligo ligo）、およびイタリアの天博体育app波検出器处女go では、天博体育app波の検出に多数成功しています。 ligo を以前のセットアップと区别するために、多くの场合、これは（高级ligo （アドバンスド・ライゴ）ligo ligo ligo ligo coherent mephisto mephisto レーザが使用される方法と理由について说明します。また、 mephisto レーザが使用される方法と理由について说明します。また、米phisto が天博体育app波検出器に采用される前に行われた第三者机关による研究の结果と结论についてもご绍介します。この研究では、特にレーザの均一性を评価し、この种の最先端プロジェクトへの适合性を评価しました。

天博体育app波検出 - 最もノイズの少ない用途

天博体育app波検出プロジェクトは、（1916年年にアインシュタインが一般相対性理论の一部として予言した天博体育app波（时空の微细な波纹）の直接観测を目标としています。これらの波纹は、连星中性子星のインスパイラルや 2 つのブラックホールの合体など、质量/エネルギーの大きな摂动によって生じます。相対性理论の予测を里付けるだけでなく、これらの観测は、暗黒物质や暗黒エネルギーなどの未知の现象に光を当て、量子天博体育appに关する疑问にも答えると予想されます。

天博体育appは圧倒的に弱い力であり、このような天変地异が起こる确率は低いため、地球上での天博体育app波の测定は非常に困难です。つまり、数十から数百 mpc（1MPCは326万光年）という膨大な距离で検出する必要があります。その结果、研究者は、10²²分の1ligo geo600 geo600，kagra）（Kagra）はすべて、90 度の角度を持つ长さ1キロメートルのアームを持っています。しかし、これらの长さであっても、参照质量の镜面のシフトは阳子の直径の约1キロメートルのアームを持っています。しかし、これらの长さであっても、参照质量の镜面のシフトは阳子の直径の约1/1/10000だけ変化すると予测されています。これは10000だけ変化すると予测されています。これは1064nmのレーザ波长の5×^-12に相当します。1兆分の1の波长パス差を测定することは、光干渉法ではまったく前例のないことです。これら4つのプログラムはすべて、高安定カスタムレーザシステムの初段オシレータに相干天博体育appレーザを使用しています。天博体育appレーザが最もノイズが少なく[1] 、ユニット间の整合性に优れている [2] ことが独自の研究によって确认されており、このことが天博体育appレーザが选ばれた理由の大部分を占めています。

このような国际共1 ligo を少し検证するだけでも、ロングパス干渉计を使った天博体育app波検出におけるレーザの课题のスケールの大きさを浮き雕りにすることができます。この种の用途では、レーザノイズの限界値は位相ノイズ（有限の线幅と周波数安定性によって决まるレーザ波长の自然なジッター超低噪声和狭窄的线宽をご覧ください）。

Ligoは2l字型干渉计で构成され、l字型干渉计で构成され、l字の各アームの长さは4 km です。米国の干渉计は、同期测定で実际のイベントと局所的な异常を区别できるように、数千キロ离れた场所に设置されています（ワシントン州ハンフォードとルイジアナ州リビングストン

Ligoの第一世代は（2002年）は天博体育app波検出の限界に近いと考えられていました。しかし、天博体育app波と断定できるようなデータは得られず、観测可能な天博体育appフラックスの上限が设定されました。その结果、感度と周波数レンジが 1桁向上した最新版の高级Ligo ligo ligoは2015年9月[3]。 -ligo ligo ligo ligo干渉计の入力に使用されたレーザは、mephistoの2w出力のユニットで、その后に出力増幅器と安定化スキームが続きます。

Advanced Ligo

高级Ligo ligo検出器の感度を大幅に向上させました。

レーザの要件は何でしょうか。オリジナルのフォーマットでは、周波数100 Hz 未満と见积もられています、天博体育app波を検出するための许容可能な相対出力ノイズ（ rpn）は、10ワットのレーザ出力に基づき、2 x 10^-9Hz^-1/2未満でした。新しい高级LIGO のセットアップでは、ターゲットレーザのノイズは同じ低いレベルに抑えられましたが、桁违いの感度向上の一环として、出力が 200 ワットレンジに引き上げられました（测定ショットノイズは出力の平方根で増加しますが、信号は出力に比例して増加します）。

天博体育app は、缓和発振の影响を排除するためにノイズイーター技术 [4] ligo のノイズ要件は、フリーランニングモードで2ワットの2ワットの天博体育appの保证ノイズ仕様よりも3200 ワットレンジまで上げるための最も低ノイズな方法として、Mopa Mopa（Mopa）构成にオシレータを组み込み、これを使用して高出力リングオシレータをインジェクションロックすることが认められています。独自の研究により、この3 3段セットアップで天博体育appのような低ノイズnproのような低ノイズnproのような低ノイズnproのような低ノイズ200ワット台に升圧すると、最小ノイズが最大200 ワット台に升圧すると、最小ノイズが最大3 3 3桁増加することが以前示されています[5] 5]（5] 1（1））。ligo）。ligo）。ligoで数百ワットの出力と10 10^-8Hz^-1/2以下のノイズを达成する努力の技术と结果のレビューは、この记事の范囲を超えています。ともあれ、 天博体育app の出力と连続する増幅段の両方で采用された、いくつかのネスト化されたノイズ低减ループを使用することで、ノイズは目标レベルまで低减されました。

天博体育app ligo ligo ligo ligo にとって幸运なことに、モノリシックレーザ共振器のピエゾ（高速）调整という形で、）调整という形で、 天博体育appにはすでに周波数制御要素が含まれています。光共にはすでに周波数制御要素が含まれています。光にはすでに周波数制御要素が含まれています。光共振器や分子吸收线などの外部基准に対してレーザ周波数を安定させることで、周波数ノイズを低减することができます。

レーザユニット间の整合性と信頼性

レーザオシレータの一贯性と长期信頼性は、 ligo ligo ligoが合计6同一の安定化レーザシステム（3 つの観测レーザ、2 2 つの予备レーザ、 を必要とし、安定化の程度によりレーザオシレータと増幅器の性能が绝対的な限界まで押し上がるためです。全体的なノイズはシードレーザの発振ノイズに大きく依存します。さらに、测定可能な天博体育app波が私たちの惑星に到达する确率は低いため、このような稀な事象を検出する可能性を高めるためには、これらのレーザは何年にもわたる継続的な観测に対応する必要があります。

ハノーバーのアルベルト・アインシュタイン研究所のパトリック・クウェ氏とベンノ・ウィルケ氏が数年前に発表した研究の主な推进力として、 gwd システム用の复数の同一レーザの必要性が挙げられています。同研究者らは、出力ノイズ、周波数ノイズ、レーザ位置変动、空间モードを含むさまざまな出力パラメータを包括的にテストした 8台のレーザの性能を比较しました[2]。GWDのような用途では、すべてのパラメータが同一で安定している必要があります。この研究では、レーザの1台を3.5 3,500（3,500时间以上

复数のパラメータを同时に测定するために、研究者たちは诊断ブレッドボード（ dbb）と呼ばれるカスタム机器を开発しました。「dbb は、直线偏光、単一周波数、连続波のレーザビームの特性评価のために设计されました。1 Hzから100kHz のフーリエ周波数帯域における出力ノイズ、周波数ノイズ、ビーム位置変动、100 MHz までの无线周波数（ rf）における出力ノイズ、空间ビーム品质を测定できます。レーザビームの特性评価は、 rf 出力ノイズの测定を除いて、コンピューターによって完全に自动化されました」。自动测定は、オペレーターのエラーや主観を避けるための重要な要素であると认识されていました。

その结果、すべてのレーザ出力パラメータのユニット间変动が着しく小さいことが明らかになりました。一连の测定结果の典型的な例を図2 に示します。これは、8 つのテストレーザの出力ノイズが一贯して低いことを示しています。著者らは、これら8つのレーザの彻底的な研究を要约し、「特性评価结果は、 npro が非常に安定したレーザ光源であり、异なるサンプル间のばらつきはむしろ小さいことを示しています」と述べています。その结果、「npro は干渉计重量波検出器での动作に最适です。高速で高ダイナミックレンジの周波数アクチュエータと组み合わせることで、低ノイズで定常的な周波数ノイズが得られるため、より大きな出力が必要な场合、増幅器やインジェクションロック构成のメインオシレータとして特に适しています」。

単一レーザの长期テストでも、3,600 时间のテスト期间中、测定されたすべての出力パラメータが非常に安定していることが确认されました。図4のデータにあるように、著者らは次のように述べています。「周波数ノイズの长期测定から、ノイズは非常に定常的で、测定间の変动が小さいことがわかりました」。

长期安定性の别の例を図4にまとめました。DBBBB

参考资料

[1]R.E.Bartolo，A.Veten和C.K.Kirkendal，Proc。 Spie Vol。 7503，750370-1（2009）
[2]p。 Kwee和B. Willke，Appl.Opt。 47，6022（2008）
[3]b。 P.Abbottet al。（Ligo Scientific Collakoration and Pirgo协作），Phys.Rev。 Lett.116，061102（2016）
[4]参见Coherent，Corp.天博体育app数据表
[5]b。威尔克et al.，class.quantum grav.25（2008）114040.http：//dx.doi.org/10.1088/0264-9381/25/11/114040