白皮书
天博综合体育app下载中的Mephisto应用程序
低噪声和高单位到单位的一致性
对同行评审和其他独立的第三方评估，对Mephisto的尖端天博综合体育app下载应用以及相关的生命测试，所有这些都证实了这些激光器的卓越性能，可靠性和高单位对单位的一致性。
简介
就低输出噪声和超鼻涕线宽要求而言，很少有人会争辩说，基于长路径干涉法的重力波检测（GWD）当前代表了狭窄的线宽CW激光器最苛刻的应用，甚至代表了超过原子冷却。在激光干涉仪重力波动台（LIGO）上进行了许多成功检测天博综合体育app下载，该观测值（LIGO）在美国的两个地点，一个在利文斯顿，路易斯安那州的两个地点运行，另一个在汉福德，华盛顿，华盛顿，以及在Italy Italy的处女座重力检测器。为了区分Ligo与早期的设置，通常称为高级Ligo。在这份白皮书中，我们研究了此应用程序的噪声要求，并讨论了在Ligo和其他探测器中使用相干的Mephisto激光器。 我们还探讨了梅菲斯托选择用于重力波检测器之前的第三方研究的一些结果和结论。这项工作专门评估了Mephisto Lasers评估其对此类尖端项目的适用性的统一性。
天博综合体育app下载检测 - 最低噪声应用
天博综合体育app下载检测项目的目标是直接观察天博综合体育app下载 - 时空的微小涟漪，这是爱因斯坦预测的，早在1916年，作为其一般相对论理论的一部分。 这些涟漪是由质量/能量的主要扰动引起的，例如二进制中子星的灵感或两个黑洞的合并。 除了确认相对论的预测外，这些观察结果还将引起人们对诸如暗物质和暗能量之类的现象的了解不足的启示，并回答有关量子重力的问题。
天博综合体育app下载的地球结合的测量令人难以置信的挑战，因为重力是迄今为止最弱的力量，并且这些天体灾难性事件的可能性很低，这意味着需要在巨大的距离（为了覆盖大型搜索量），即MPC（即1 mpc（1 mpc）（1 mpc）（1 mpc（1 mpc），它需要在巨大的距离（以覆盖较大的搜索量）。 结果，研究人员需要能够观察10个时空中的调制，在10中的1部分22。 检测这些微小的时空移位的首选方法是使用超稳定激光器的长路径干涉法。 这些干涉仪（Ligo，Geo600，处女座，Kagra）的臂长为90度。 但是，即使在这些长度上，参考质量的镜面上的变化也仅被预测会变化约1/10000质子的直径。 这对应于5 x 10-121064 nm激光波长的|。 在光学干涉仪中，测量波长路径差的一万亿分是前所未有的。 除其他要求外，它需要整个多公斤梁路径才能在超高的真空条件下和极低的激光噪声下。 全部四个这些程序中使用相干的天博综合体育app下载 Lasers作为其高稳定性自定义激光系统的第一阶段振荡器。 选择天博综合体育app下载激光器很大程度上是因为独立研究以前已经确认这些激光器提供了最低的噪声[1]和出色的单位对单位一致性[2]。
对其中一个国际协作计划的简短检查 - Ligo - 旨在强调使用长路径干涉法进行重力波检测中一些激光挑战的规模。 对于这种类型的应用，激光噪声的限制图是相位噪声 - 激光波长中的自然抖动，由其有限的线宽和频率稳定性确定。 （有关激光噪声的简短讨论，请参阅天博综合体育app下载白皮书，超低噪声和狭窄的线宽）。
Ligo由两个相同的L形干涉仪组成，其中L的每个臂的长度为4 km。 我们中的干涉仪位于几千公里的距离（汉福德，华盛顿和路易斯安那州利文斯顿），因此同步测量可以区分真实事件和当地异常。
第一代Ligo于2002年完成，其性能（灵敏度）被考虑在可能的天博综合体育app下载检测的边缘附近。 但是，它没有产生任何可以明确分配给天博综合体育app下载的数据事件，从而为可观察的重力通量设定了新的上限，这本身就是有价值的信息。 结果，开发了更新的版本，即高级LIGO，并开始观察，灵敏度和频率范围都增加了数量级。 经过数十年的激烈工作和研究，并随着其灵敏度的提高，Ligo于2015年9月首次直接发现天博综合体育app下载[3]。 在LIGO干涉仪输入处使用的激光器是Mephisto 2 W输出功率单元，其次是功率放大器和稳定方案。
Advanced Ligo
高级LIGO通过光学设置，激光系统和镜像悬架系统的变化显着提高了Ligo探测器的灵敏度。
激光要求是什么？ 在原始格式中，估计在〜100 Hz的频率下，可接受的相对功率噪声（RPN）可能检测到重力波<2 x 10-9Hz-1/2基于10瓦的激光功率。 在新的高级LIGO设置中，目标激光噪声保持在相同的低水平，但是作为数量级灵敏度提高阶的一部分，功率已被提高到200瓦范围。 （测量射击噪声随幂的平方根增加而增加，而信号的增加与功率成正比。）
天博综合体育app下载提供任何商业激光振荡器的最低噪声，部分原因是用来消除放松振荡的效果的噪声食肉动物技术[4]。 尽管如此，Ligo噪声要求是在自由运行模式下的2瓦天博综合体育app下载的保证噪声规范的三个数量级。 此外，将激光振荡器功率提高到目标200瓦范围的最低噪声方法是将振荡器合并到主振荡器功率放大器（MOPA）配置中，类似于天博综合体育app下载 MOPA，并将其用于Incection lockotement of Injection锁定高功率环振荡器。 独立研究先前表明，当像天博综合体育app下载这样的低噪声NPRO型激光器在此三阶段设置中，最小噪声最多增加了三个数量级[5] - 参见图1。-8Hz-1/2124266_124514
天博综合体育app下载不仅提供了非常低的相对功率噪声，而且还提供了极低的频率噪声。 但是，LIGO敏感性目标仍然需要从天博综合体育app下载激光的低噪声起始水平来减少该频率噪声。 幸运的是，对于Ligo来说，天博综合体育app下载已经包含了压电（快速）和温度（缓慢）调节整体激光腔的频率控制元件。 这些可用于通过将激光频率稳定为外部参考，例如光谐振器或分子吸收线来降低频率噪声。 在LIGO设置中，这些控件被用作一系列控制循环的一部分，将激光频率锁定为光学参考，并将噪声降低到目标级别。
激光单元对单位的一致性和可靠性
激光振荡器的一致性和长期可靠性是Ligo等天博综合体育app下载检测系统的另外两个重要要求。 那是因为Ligo总共需要六个相同稳定激光系统（三个观测值激光器，两个备用激光和一个参考系统），稳定度将激光振荡器和放大器性能推向其绝对限制。 总体噪声非常取决于种子激光振荡器噪声。 此外，由于到达我们星球的可测量天博综合体育app下载的可能性很小，因此这些激光器必须支持多年的连续观察，以增加检测这些罕见事件之一的机会。
对GWD系统的多个相同激光的需求被认为是几年前由汉诺威（Albert Einstein Institute）的Patrick Kwee和Benno Willke发表的主要驱动力。这些研究人员比较了八个天博综合体育app下载激光器的性能，这些激光器测试了一组全面的不同输出参数，包括功率和频率噪声，指向波动和空间模式[2] - 所有参数都需要在GWD等应用中相同且稳定。 在这项研究中，在3.5个月（> 3,500小时）的操作中，也会自动且连续测试其中一项激光器的各种参数。 据我们所知，这是有史以来比较的最大狭窄线宽激光器，并且在同行评审杂志中发表的结果。
图1. 在非商业35W放大器之后，基本天博综合体育app下载激光器的输出的噪声特性，以及从种子180瓦功率振荡器的最终噪声值，这也是非商业的[5]。 ©IOP Publishing。 经许可复制。 版权所有。
为了同时测量几个参数，这些研究人员开发了一种称为诊断面包板（DBB）的定制仪器。 从他们发表的论文中引用“ DBB设计用于线性极化，单频，连续的波浪激光光束。它允许在1 Hz到100 kHz的傅立叶频带中测量功率噪声，频率噪声和光束指向的波动，并在射击频率（射击频率）上（rf Z）上的功率（rf）和100 MHZ的效率（rf emisiation formiation formiation fore fromiation and raf z），并倍增。除RF电源噪声测量外，由计算机自动化。” 自动测量被认为是避免任何操作员错误/主观性的关键要素。
图2 相对功率噪声在八个不同的2000年激光器上的1 Hz-100 kHz范围内测得。绿线代表了八个激光器的平均RPN，而噪声Eater关闭了。 在参考文献2的许可下重现。
他们的研究表明，所有激光输出参数的单位对单位变化都非常小。 图2中显示了它们的测量集中的一个典型示例，该示例显示了这八个测试激光器的相对功率噪声一致。 作者总结了他们对这八个天博综合体育app下载激光器的详尽研究，说“表征结果表明NPROS是高度稳定的激光源，并且不同样品之间的变化很小，”因此，“NPROS非常适合在干涉重力波检测器中操作。 由于它们与快速和高动态范围频率执行器的组合具有低且固定的频率噪声，因此，如果需要更多的输出功率，它们特别适合用于放大器或注入锁配置的主振荡器。”
图3 频率噪声的小长期变化的幅度与观察到的相同参数中观察到的小单位对单位变化相似。 该图显示了来自天博综合体育app下载 2000的数据，该数据进行了3,600小时，其噪声每24小时测量（红线）。 中间噪声由蓝线表示。 在参考文献2的许可下重现。
单个天博综合体育app下载 Laser的长期测试也证实了3600小时测试期间所有测量的输出参数的出色稳定性。 如图4所示，作者指出，“频率噪声的长期测量表明，噪声似乎非常固定，并且测量值之间的变化很小。”
图4. 在激光H长期表征期间，指向波动的直方图（为了清楚起见，省略了箱之间的垂直线（bin之间的垂直线）。 对于每种自由度，评估了146×103个样品。 标准偏差显示为连续线。 从参考2（作者指出，环境因素限制了这些测量的稳定性。）
图4总结了长期稳定性的另一个示例。具体来说，研究人员观察到了出色的长期指向稳定性，尽管对这些测量值有一些环境引起的（空气流）的限制，这些限制是通过将其DBB系统封闭在受控的空气流盒中的部分来解决的。。
摘要
在以前的Mephisto白皮书中，我们解释了单片非平面环振荡器（NPRO）结构（NPRO）结构和活跃的噪声食食技术的组合如何使连贯的Mephisto Lasers激光器具有最低的噪声源，范围较低，狭窄的线条应用程序。 在此白皮书中，我们看到这些主张被独立确认为主要的GWD程序，都选择了Mephisto作为其超稳定干涉测量系统的种子激光器，并成功地检测到了天博综合体育app下载。 我们还介绍了对有史以来在同行评审论坛上发表的多个激光单元进行最全面评估的第三方结果。 这项研究不仅验证了Mephisto激光器的低噪声和其他出色的规格，而且还证明了每个重要的输出参数中出色的单位对单位一致性。 对这些激光之一的长期研究清楚地证实，这些输出参数在延长的工作期内非常稳定。
具有≤3kHz的线宽，天博综合体育app下载激光器和高功率天博综合体育app下载 Mopa型号非常适合广泛的苛刻应用程序原子捕获，挤压状态研究，量子光学元件，重力波检测，纤维传感和尖端连贯的通信研究。 这些应用程序对激光噪声和线宽的要求都比GWD更高，而GWD成功地使用了所有主要的观测值。 逻辑上可以得出结论，这些激光器也将在其他应用中表现出相同的出色性能。
参考
[1]R.E。 Bartolo，A.Veten和C.K. Kirkendal，Proc。 Spie Vol。 7503，750370-1（2009）
[2]p。 Kwee和B. Willke，应用。选择。 47，6022（2008）
[3]b。 P. Abbottet al。（Ligo Scientific合作与处女座合作），物理。莱特牧师。 116，061102（2016）
[4]参见Coherent，Corp.天博综合体育app下载数据表
[5]b。威尔克et al.，类。量子坟墓。 25（2008）114040。http：//dx.doi.org/10.1088/0264-9381/25/11/114040