Large laser-interferometers are being constructed to create a new type of astronomy based on gravitational waves. Their sensitivities, as for many other high-precision experiments, are approaching fundamental noise limits such as the atomic vibration of their components. We are pioneering technologies to overcome these limits using novel laser beam shapes.
الضوضاء الحرارية في مرايا انعكاسية عالية يشكل عائقا رئيسيا لعدة أنواع عالية الدقة قياس التداخل التجارب التي تهدف إلى الوصول إلى الحد الكم القياسية أو لتبرد الأنظمة الميكانيكية إلى ارض الدولة الكم بهم. هذا هو على سبيل المثال من المتوقع أن تكون محدودة في نطاق التردد الأكثر حساسية، من خلال اهتزاز الذرية من الجماهير مرآة على حالة المستقبل المراصد موجة الجاذبية، الذين حساسية لإشارات موجة الجاذبية. نهج واحد واعد يجري السعي للتغلب على هذا القيد هو لتوظيف العليا أجير-غاوس (LG) الحزمة الضوئية بدلا من وضع الأساسية المستخدمة تقليديا. بسبب بهم أكثر تجانسا توزيع شدة الضوء المتوسط في هذه الحزمة بشكل أكثر فعالية على مدى التقلبات مدفوعة حراريا من سطح المرآة، والذي بدوره يقلل من حالة عدم اليقين في موقف مرآة لمست من ضوء الليزر.
نحن يبرهن على وجود طريقة واعدة لتوليدالعليا LG الحزمة من قبل تشكيل شعاع جاوس الأساسية مع مساعدة من العناصر البصرية إنحرافي. وتبين لنا أن مع الاستشعار التقليدية وتقنيات التحكم التي هي معروفة لاستقرار أشعة الليزر الأساسية، وارتفاع الطلب LG وسائط يمكن تنقيته واستقرت فقط، وكذلك على مستوى عال نسبيا. وهناك مجموعة من أدوات التشخيص يسمح لنا للسيطرة وخياط خصائص الحزمة LG إنشاؤه. مكننا هذا من إنتاج شعاع LG مع أعلى نقاء الإبلاغ عنها حتى الآن. التوافق أثبتت ارتفاع الطلب LG وسائط مع تقنيات التداخل القياسية ومع استخدام البصريات كروية القياسية يجعلها مرشحا مثاليا لتطبيقها في جيل المستقبل من التداخل درجة عالية من الدقة.
خلال العقود الماضية ودفعت التجارب عالية الدقة قياس التداخل نحو نظام حساسية النهائي حيث الآثار الكم بدأت تلعب دورا حاسما. في هذه التجارب الجارية والمستقبلية، مثل تبريد الليزر من التذبذب الميكانيكية 1، والفخاخ البصرية للمرايا 2، الجيل من الجماهير اختبار شباكها 3، الكم التداخل غير هدم 4، وتحقيق الاستقرار تردد من أشعة الليزر مع تجاويف جامدة 5، وكشف عن موجة الجاذبية 6 ، 7، 8، تواجه الباحثين وافر في الحد من مصادر الضوضاء الأساسية والفنية. واحدة من المشاكل الأكثر حدة هو الضوضاء الحرارية من المرايا تجويف الاجهزة التداخل، الذي ينجم عن الإثارة الحرارية من الذرات التي تشكل ركائز المرآة والمرآة العاكسة طلاء 7، 8، 9. وبهذا المعنى، كما دعا الحركة البراونية، يسبب عدم اليقين في مرحلةالضوء الذي ينعكس من أي الجماهير الاختبار، وبالتالي سوف تظهر الحصر الضوضاء الأساسية في إخراج تداخل. على سبيل المثال، وحساسية تصميم المتوقعة من المتقدم الجاذبية موجة هوائيات، مثل المتقدم LIGO، متقدمة العذراء، وتلسكوب أينشتاين، محدودة بسبب هذا النوع من الضوضاء في المنطقة الأكثر حساسية من وتيرة الفرقة الملاحظة 10، 11، 12.
علماء الفيزياء التجريبية في المجتمع العمل الجاد في جهد متواصل للحد من هذه المساهمات الضوضاء وتحسين حساسية من صكوكها. في حالة معينة من مرآة البراونية الضوضاء، وطريقة واحدة للتخفيف من حدة هو استخدام أكبر حجم شعاع بقعة من المستخدمة حاليا معيار أساسي HG 00 شعاع على السطوح الشامل اختبار، لأن المتوسطات شعاع أكبر على نحو أكثر فعالية على مدى الاقتراحات عشوائية من السطح 13، 14. وقد تبين أن كثافة القدرة الطيفية من الضوضاء الحرارية مرآة لتوسيع نطاق معمعكوس حجم شعاع جاوس للالركيزة مرآة ومع التربيع العكسي لسطح مرآة 9. ومع ذلك، كما يتم إجراء البقع شعاع أكبر، يتم فقدان جزء كبير من قوة الضوء على حافة سطح عاكس. إذا كان أحد يستخدم شعاع مع توزيع كثافة شعاعي أكثر تجانسا من يشيع استخدامها HG 00 شعاع (انظر الشكل 1 لسبيل المثال)، يمكن تخفيض مستوى الضوضاء الحرارية البراونية دون زيادة هذا النوع من الخسارة. من بين جميع أنواع شعاع أكثر تجانسا التي اقترحت لإصدارات جديدة من التداخل درجة عالية من الدقة، على سبيل المثال الحزمة ميسا أو وسائط مخروطي 13، 14، والواعدة هي العليا LG الحزم بسبب توافقها محتملة مع المستخدمة حاليا كروية الأسطح مرآة 15. على سبيل المثال، فإن معدل الكشف عن ثنائي النجم النيوتروني في دوامة الأنظمة – التي تعتبر مصادر الفيزياء الفلكية الواعدة لGW أول كشفأيون – يمكن أن تتعزز بنحو عامل من 2 أو أكثر من 16 على حساب الحد الأدنى من التعديلات في تصميم تداخل الجيل الثاني قيد الإنشاء 10، 11 حاليا. بالإضافة إلى الفوائد الضوضاء الحرارية، وتوزيع كثافة أوسع من العليا LG الحزمة (انظر كمثال على الشكل 2) وقد ثبت للتخفيف من حجم الانحرافات الحرارية للبصريات ضمن تداخل. هذا من شأنه أن يقلل من مدى الاعتماد على نظم التعويض الحراري في التجارب المستقبلية للوصول إلى الحساسيات تصميم 19.
لقد حققت وأثبتت بنجاح جدوى توليد LG الحزمة في مستويات النقاء والاستقرار اللازمة للعمل بنجاح تداخل GW بأفضل من حساسيتها 16، 18، 19، 20، 21، 22. الطريقة المقترحة يجمع بين التقنيات والخبرات المتقدمة في مختلف مجالات الفيزياء والبصريات يمثح والجيل الاستقرار عالية، وانخفاض الضوضاء واحد ليزر وضع الحزم 23، واستخدام جهري ضوء المكانية والعناصر البصرية إنحرافي للتلاعب من الملامح المكانية للضوء الحزم 18، 22، 24، 25، 26، واستخدام التقنيات المتقدمة للاستشعار ومراقبة وتحقيق الاستقرار في تجاويف البصرية الرنانة 27 تهدف إلى تنقية ومزيد من الاستقرار من ضوء الليزر. وقد تجلى هذا الأسلوب بنجاح في التجارب المعملية، وتصديرها للاختبارات في تداخل النموذج على نطاق واسع 20، وسائط لتوليد LG في القوى الليزر عالية تصل إلى 80 W 21. في هذه المقالة نقدم تفاصيل عن طريقة لتوليد مرتبة أعلى LG الحزم ومناقشة منهجية لتوصيف والتحقق من الحزم الناتجة عن ذلك. علاوة على ذلك، في الخطوة 4 يتم وضع الخطوط العريضة لطريقة لتحقيقات العددية للتجاويف مع المرايا غير مثالي 19.
The output beams of most lasers used in high-precision measurements are designed to have a shape well described as a fundamental Gaussian mode. This particular beam geometry combines low diffraction with a spherical wave front. While the low diffraction is one of the key advantages of laser light, the spherical wave front is equally important, as it allows the low-loss transformation of the laser beam by standard optical components with spherical surfaces. Different beam shapes can be created as well, and recently Laguerre-Gauss beams have become of interest for their potential application in high-precision interferometry.
In this paper we demonstrated the experimental procedure to create higher-order Laguerre-Gauss modes with 95% purity for high-power, ultra stable laser beams. To achieve this, we have combined standard techniques from different aspects of optical research, namely diffractive phase plates and laser pre-stabilization to mode cleaner cavities. Our experiment provides a simple, modular and very reliable method to create high power beams in user defined higher-order modes. A commercial ultra-stable laser is used as the light source. Its output is injected to a diffractive phase plate, which can convert up to 75% of the light into the desired Laguerre-Gauss mode. This light is then injected to a small optical cavity and an electronic feedback loop is used to stabilize the laser frequency of the laser to the cavity length. The beam transmitted by the cavity is to 95% in the desired mode and, like the fundamental mode beam at the origin of the setup, has very good frequency stability at audio frequencies. All the parts represent standard components in modern optical experiments. We have successfully demonstrated this technique for laser powers up to 80 W pure Laguerre-Gauss 33 mode.
It could be possible to achieve similar results by replacing the phase plate with another mode-converting element (for example, other diffractive elements or astigmatic mode converters). Alternatively a laser could be setup with an optical resonator tuned for the desired Laguerre-Gauss modes, using for example, an amplitude mask. Finally the laser frequency stabilization to the reference optical cavity could be exchanged with a similar scheme that uses an atomic reference. The need for an electronic feedback system is probably the main disadvantage, but this is inevitable for any light source used for precision interferometer.
However, we believe that the method demonstrated in this paper provides a simple and modular scheme which can be scaled to all ranges of required laser frequency, power, or shape and thus presents a powerful and versatile method. Each part, the laser source, the diffractive element, as well as the optical cavity can be changed or optimized individually, which means that also existing laser injection systems can be upgraded to use Laguerre-Gauss modes.
The authors have nothing to disclose.
This work was funded by the Science and Technology Facilities Council (STFC).
The experimental apparatus discussed in this paper requires the following types of instruments: | |||
Instrument | |||
Solid state Laser source, Nd:YAG 1064 nm CW laser | Quantity: 1 | ||
Faraday Isolator | Quantity: 1 | ||
Electro-Optic Modulator (EOM) | Quantity: 1 | ||
CCDcamera beam profiler | Quantity: 1 | ||
Lenses | Quantity: depending on apparatus design | ||
Steering Mirrors | Quantity: depending on apparatus design | ||
Aperture | Quantity: 1 | ||
High reflectivity mirrors (for normal incidence) | Quantity: 2 | ||
Piezoelectric ring | Quantity: 1 | ||
Cavity spacer | Quantity: 1 | ||
Photodiodes and related control electronics | Quantity: 1 or more, depending on apparatus design | ||
Spatial light modulator | Quantity: 1 Holoeye LCR-2500 |
||
All the above instruments are commercially available and no particular specification is required. We leave the choice of the most suitable instruments to the experimenter’s discretion. | |||
For the interest of the experimenter interested in reproducing the protocol, we recommend the following tools used in our experiment: | |||
Tools | |||
Innolight OEM 300NE, 1064 nm, 300 mW | Laser Source: | ||
SIMTOOLs | Software for data analysis, available at www.gwoptics.org/simtools/ | ||
FINESSE | Software for optical simulations, www.gwoptics.org/finesse/ | ||
Finally, the phase plate employed in the present experiment was manufactured by Jenoptik GmbH, based on a custom design provided by the Authors. |