백서
Mephisto Anwendungen für die Detektion von Gravitationswellen
Geringes Rauschen und hohe Einheit-zu-Einheit-Konsistenz
Gutachten von Experten und andere unabhängige Bewertungen der Leistung des Mephisto für modernste Gravitationswellenanwendungen sowie 관련 Lebensdauertests bestätigen die überragende Leistung, Zuverlässigkeit und hohe Konsistenz dieser Laser.
Einleitung
Im Hinblick auf geringes Ausgangsrauschen und Anforderungen an eine ultraschmale Linienbreite würde kaum jemand behaupten, dass die auf Langweginterferometrie basierende Gravitationswellendetektion (GWD) derzeit die anspruchsvollste Anwendung für CW-Laser mit schmaler Linienbreite darstellt – sogar noch mehr als die Atomkühlung. LIGO(Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory)에서 중력파 관측소를 찾으려면 미국의 표준 위치와 루이지애나주 리빙스턴의 중력파 관측소, 워싱턴주 핸퍼드의 관측소, 이탈리아의 중력파 관측소인 VIRGO를 참조하세요. Um LIGO von früheren Setups zu unterscheiden, wird es oft als Advanced LIGO bezeichnet. 이 백서에서는 Anwendung und diskutieren을 위한 Rauschanforderungen과 LIGO 및 Detektoren verwendet werden의 Mephisto Laser von 바카라 카지노와 관련되어 있습니다. Wir untersuchen auch einige Eergebnisse und Schlussfolgerungen einer Studie Dritter die der Auswahl von Mephisto für den Einsatz in Gravitationswellendetektoren vorausging. Bei dieser Arbeit wurde speziell die Gleichmäßigkeit der Mephisto Laser bewertet, um ihre Eignung für diese Art von revolutionm Projekt zu beurteilen.
Gravitationswellendetektion – die Anwendung mit dem geringsten Rauschen
Projekte zur Erkennung von Gravitationswellen zielen auf die direkte Beobachtung von Gravitationswellen ab – winzige Wellen in der Raumzeit, die von Einstein bereits im Jahr 1916 als Teil seiner Allgemeinen Relativitätstheorie vorhergesagt 부담. Diese Wellen entstehen bei größeren Störungen der Masse/Energie, wie z. B. bei der Inspiration von binären Neutronensternen oder der Verschmelzung zweier schwarzer Löcher. Diese Beobachtungen bestätigen nicht nur die relativistischen Vorhersagen, sondern werfen auch Licht auf schlecht verstandene Phänomene wie dunkle Materie und dunkle Energie und beantworten Fragen zur Quantengravitation.
Die erdgebundene Messung von Gravitationswellen ist eine unglaubliche Herausforderung, denn die Schwerkraft ist bei weitem die schwächste Kraft und die geringe Wahrscheinlichkeit dieser kataklysmischen Himmelsereignisse bedeutet, dass sie in hugen Entfernungen nachgewiesen werden müssen(um ein großes Suchvolumen abzudecken), nämlich in Dutzenden oder sogar Hunderten von Megaparallaxensekunden(1 Mpc sind 3,26 Millionen Lichtjahre). Folglich müssen die Forscher in der Lage sein, Modulationen in der Raumzeit zu beobachten, die so klein wie 1 Teil in 1022신. Der bevorzugte Ansatz zur Erkennung dieser winzigen räumlich-zeitlichen Verschiebungen ist die Langstrecken-Interferometrie mit ultrastabilen Lasern. 다이 간섭계(LIGO, GEO600, Virgo, KAGRA) haben alle kilometerlange Arme, die um 90 Grad abgewinkelt sind. Aber selbst bei diesen Längen werden Verschiebungen der Spiegelflächen der Referenzmassen nur um etwa 1/10.000 des Durchmessers eines Protons vorhergesagt. 다스 엔트스프리히트 5 x 10-121.064 nm의 레이저 웰렌 길이. Die Messung eines Billionstels eines Wellenlängenunterschieds ist ein Absolutes Novum in der optischen Interferometrie. Neben anderen Anforderungen muss der gesamte Strahlengang von mehreren Kilometern unter Ultrahochvakuumbedingungen und extrem geringem Laserrauschen erfolgen.Alle vier디저 프로그램은 Mephisto Laser von 바카라 카지노 als Oszillatoren der ersten Stufe in ihren hochstabilin kundenspezifischen Lasersystemen에 대해 설명합니다. Die Mephisto Laser wurden vor allem deshalb ausgewählt, weil unabhängige Studien zuvor bestätigt haben, dass diese Laser das geringste Rauschen [1] und eine hervorragende Konsistenz von Einheit zu Einheit bieten [2].
Eine kurze Untersuchung eines dieser Internationalen Koerationsprogramme – LIGO – dient dazu, das Ausmaß einiger Laserherausforderungen bei der Gravitationswellendetektion mittels Langweginterferometrie hervorzuheben. Bei dieser Art von Anwendung ist das Phasenrauschen der begrenzende Gütefaktor für Laserrauschen – natürliche Schwankungen der Laserwellenlänge, die durch die begrenzte Linienbreite und die Frequenzstabilität bestimmt werden. (Eine kurze Erörterung des Laserrauschens finden Sie im Mephisto 백서,Extrem geringes Rauschen und schmale Linienbreite).
LIGO besteht aus zwei identischen L-förmigen Interferometern, wobei jeder Arm des L 4km lang ist. 미국의 다이 간섭계는 mehreren tausend Kilometern Entfernung(Hanford, Washington 및 Livingston, Louisiana)에서 확인되었으며, sodass syncronisierte Messungen zwischen realen Ereignissen 및 lokalen Anomalien unterscheiden können입니다.
Die erste Generation von LIGO wurde im Jahr 2002 fertiggestellt und seine Leistung (Empfindlichkeit) wurde als nahe an der Grenze der möglichen Gravitationswellendetektion angesehen. Es wurden jedoch keine Datenereignisse erzeugt, die eindeutig Gravitationswellen zugeordnet werden konnten. Damit wurde eine neue Obergrenze für den beobachtbaren Gravitationsfluss gesetzt는 sich schon eine wertvolle 정보 ist였습니다. Infolgedessen wurde eine aktualisierte Version, Advanced LIGO, entwickelt und Beginn mit Beobachtungen, die sowohl die Empfindlichkeit als auch den Frequenzbereich um eine Größenordnung erhöhten. Nach Dutzenden von Jahren 집중 Arbeit und Forschung und mit seiner erhöhten Empfindlichkeit gelang LIGO는 2015년 9월에 가장 먼저 Nachweis von Gravitationswellen에 게시되었습니다 [3]. Die am Eingang des LIGO-Interferometers verwendeten Laser waren Mephisto Laser mit 2 W Ausgangsleistung, gefolgt von Leistungsverstärkern und Stabilisierungssystemen.
고급 LIGO
고급 LIGO 모자 다이 Empfindlichkeit der LIGO Detektoren durch änderungen des optischen Aufbaus, des Lasersystems und der Spiegelaufhängungen deutlich erhöht.
sind die Anforderungen은 레이저였습니까? Im ursprünglichen Format wurde geschätzt, dass bei einer Frequenz von ~100Hz das akzeptable 상대 Leistungsrauschen(RPN) für die mögliche Entdeckung von Gravitationswellen < 2 x 10-9Hz-1/2전쟁, basierend auf einer Laserleistung von 10 Watt. Bei der neuen Advanced LIGO Einrichtung wurde das Rauschen des Ziellasers auf demselben niedrigen Niveau gehalten, aber die Leistung wurde im Rahmen der Verbesserung der Empfindlichkeit um eine Größenordnung in den 200-Watt-Bereich erhöht. (Das Schrotrauschen der Messung steigt mit der Quadratwurzel aus der Leistung, während das 신호 비례 zur Leistung zunimmt).
Mephisto bietet das geringste Rauschen aller kommerziellen Laseroszillatoren, was zum Teil auf die Noise Eater-Technologie [4] zurückzuführen ist, mit der die Auswirkungen von Relaxationsschwingungen eliminiert werden. Nichtsdestotrotz liegt die LIGO Rauschanforderung um drei Größenordnungen unter der garantierten Rauschspezifikation des 2-Watt-Mephisto im freilaufenden Modus. 최고의 성능을 발휘하는 Ansatz zur Erhöhung der Leistung des Laseroszillators auf den angestrebten Bereich von 200 Watt darin, den Oszillator in eine MOPA-Konfiguration(Master Oscillator Power Amplifier) einzubinden, ähnlich dem Mephisto MOPA, und diesen zur Injektionsverriegelung eines Hochleistungsringoszillators zu verwenden. Unabhängige Untersuchungen haben bereits gezeigt, dass das 최소한의 Rauschen um bis zu drei Größenordnungen ansteigt, wenn ein rauscharmer NPRO-Laser wie Mephisto in diesem dreistufigen Aufbau auf 200 Watt verstärkt wird [5] – siehe Abbildung 1. Ein Überblick über die Techniken und Eergebnisse der Bemühungen, bei LIGO Hunderte von Watt Leistung und ein Rauschen unter 10-8Hz-1/2zu erreichen, würde den Rahmen dieses Artikels sprengen. Durch den Einsatz mehrerer verschachtelter Rauschunterdrückungsschleifen, die sowohl am Ausgang von Mephisto als auch in den nachfolgenden Verstärkungsstufen eingesetzt werden, konnte das Rauschen jedoch auf das Zielniveau reduziert werden.
Der Mephisto bietet nicht nur ein sehr niedriges 친척 Leistungsrauschen, sondern auch ein extrem niedriges Frequenzrauschen. Für die angestrebte Empfindlichkeit von LIGO muss dieses Frequenzrauschen jedoch um Größenordnungen gegenüber dem niedrigen Ausgangsrauschen des Mephisto Lasers reduziert werden. Zum Glück für LIGO enthält der Mephisto는 Elemente zur Frequenzkontrolle in Form von Piezo-(schnell) 및 Temperatur-(langsam) Anpassungen des monolithischen Laserresonators를 제공합니다. Diese können verwendet werden, um das Frequenzrauschen zu reduzieren, indem die Laserfrequenz auf eine äußere Referenz wie einen optischen Resonator oder eine Molekulare Absorptionslinie stable wird. Bei LIGO werden diese Regler als Teil einer Reihe von Regelkreisen verwendet, um die Laserfrequenz an eine optische Referenz zu koppeln und das Rauschen auf das Zielniveau zu senken.
Konsistenz und Zuverlässigkeit von Lasereinheit zu Lasereinheit
Die Konsistenz der Laseroszillatoren und die langfristige Zuverlässigkeit sind zwei weitere wichtige Voraussetzungen für Gravitationswellendetektionssysteme wie LIGO. Das liegt daran, dass LIGO insgesamt sechsidentischestabilisierte Lasersysteme benötigt(drei Observatoriumslaser, zwei Ersatzlaser und ein Referenzsystem), und der Grad der Stabilisierung은 Laseroszillator und die Verstärkerleistung 및 절대 Grenzen을 가져왔습니다. Das Gesamtrauschen은 Rauschen des Startlaseroszillators ab에서 완전히 중단되었습니다. Da die Wahrscheinlichkeit, dass messbare Gravitationswellen unseren Planeten erreichen, sehr gering ist, müssen diese Laser jahrelang ununterbrochen beobachtet werden, um die Chancen zu erhöhen, eines dieser seltenen Ereignisse zu entdecken.
Der Bedarf an mehreren identischen Lasern für GWD-Systeme wurde als Hauptgrund für die vor einigen Jahren von Patrick Kwee und Benno Willke am Albert-Einstein-Institut in Hannover veröffentlichten Forschungsarbeiten genannt. Diese Forscher verglichen die Leistung von acht Mephisto Lasern, die auf eine umfassende Reihe verschiedener Ausgangsparameter getestet wurden, darunter Leistungs- und Frequenzrauschen, Pointing-Fluktuation und räumlicher Modus [2] – 모든 매개변수, die bei einer Anwendung wie GWD identisch 그리고 안정적인 존재 müssen. In dieser Studie wurde einer der Laser über einen Zeitraum von 3,5 Monaten (>3.500 Betriebsstunden) automatisch und kontinuierlich auf verschiedene Parameter getestet. Nach unserem besten Wissen ist dies die größte Serie von Lasern mit schmaler Linienbreite, die jemals verglichen und deren Eergebnisse in einer Fachzeitschrift veröffentlicht wurden.
압빌둥 1.Rauschcharakteristik des Ausgangs eines einfachen Mephisto Lasers nach einem nicht-kommerziellen 35-W-Verstärker und der endgültige Rauschwert eines geimpften 180-Watt-Leistungsoszillators, der ebenfalls nicht-kommerziell 전쟁 [5]. © IOP 출판. Wiedergabe mit Genehmigung. Alle Rechte vorbehalten.
Um mehrere 매개변수 gleichzeitig zu messen, entwickelten diese Forscher ein maßgeschneidertes 기기 이름 진단 브레드보드(DBB). Um aus ihrem veröffentlichten Artikel zu zitieren:"Der DBB für die Charakterisierung 선형 편광기 Einzelfrequenz-Dauerstrich-Laserstrahlen entwickelt. Er ermöglicht die Messung von Leistungsrauschen, Frequenzrauschen und Strahlausrichtungsschwankungen in einem Fourier-Frequenzband von 1Hz bis 100kHz Leistungsrauschen bei Radiofrequenzen(RF) bis zu 100MHz und räumliche Strahlqualität. Die Charakterisierung des Laserstrahls wurde vollständig von einem Computer automatisiert, mit Ausnahme der Messung des HF-Leistungsrauschens.“Die automatisierte Messung wurde als Schlüsselelement zur Vermeidung jeglicher Bedienerfehler/Subjektivität erkannt.
압빌둥 2.친척 Leistungsrauschen gemessen im Bereich von 1Hz bis 100kHz an acht verschiedenen Mephisto 2000NE Lasern. Die grüne Linie stellt die durchschnittliche RPN der acht Laser bei ausgeschaltetem Noise Eater dar. Wiedergabe mit Genehmigung von Ref. 2.
Ihre Studien ergaben, dass die Schwankungen aller Laserleistungsparameter von Einheit zu Einheit bemerkenswert gering waren. Beispiel aus ihren Messreihen의 유형은 Abbildung 2 dargestellt에 있으며, die das konstant niedrige 친척 Leistungsrauschen dieser acht Testlaser zeigt입니다. Die Autoren fassen ihre umfassende Untersuchung dieser acht Mephisto Laser mit der Aussage zusammen: ``Die Charakterisierungsergebnisse zeigen, dass NPROs äußerst stable Laserquellen sind und dass die Variation zwischen verschiedenen Proben eher gering ist.„ 및 foglich “Die NPROs eignen sich는 Interferometrischen Gravitationswellendetektoren의 Einsatz에 이상적입니다. Da sie ein niedriges und stationäres Frequenzrauschen in Kombination mit schnellen und hochdynamischen Frequenzumrichtern aufweisen, eignen sie sich besonders als Master-Oszillatoren für Verstärker oder 주입 잠금 장치 구성, wenn mehr Ausgangsleistung erforderlich ist.”
압빌둥 3.Die kleinen langfristigen Schwankungen des Frequenzrauschens ähnelten in ihrer Größe den beobachteten kleinen Schwankungen desselben 매개변수 von Einheit zu Einheit. Dieses Diagramm zeigt Daten eines Mephisto 2000, der 3.600 Stunden lang in Betrieb war und dessen Geräusch alle 24 Stunden gemessen wurde (rote Linien). Der mittlere Lärm wird durch die blaue Linie dargestellt. Wiedergabe mit Genehmigung von Ref. 2.
Auch der Langzeittest des einzelnen Mephisto Lasers bestätigte die hervorragende Stabilität aller gemessenen Leistungsparameter während des 3.600-stündigen Testzeitraums. Wie aus ihren Daten in Abbildung 4 hervorgeht, stellten die Autoren fest, dass"Die Langzeitmessung des Frequenzrauschens zeigte, dass das Rauschen sehr stationär zu sein schien und die Schwankungen zwischen den Messungen gering waren."
압빌둥 4.Histogramm der Ausrichtungsschwankungen während der Langzeitcharakterisierung von Laser H(vertikale Linien zwischen den Bins wurden der Übersichtlichkeit halber weggelassen). Für jeden Freiheitsgrad wurden 146 × 103 Proben ausgewertet. Die Standardabweichung wird als durchgehende Linie dargestellt. 호주 참조. 2(Die Autoren stellten fest, dass Umweltfaktoren die Stabilität dieser Messungen einschränkten.)
Ein weiteres Beispiel für die Langzeitstabilität는 Abbildung 4 zusammengefasst에 있습니다. Die Forscher beobachteten eine ausgezeichnete Langzeitstabilität der Ausrichtung, trotz einiger umweltbedingter Einschränkungen (Luftströmung) bei diesen Messungen, die zum Teil Dadurch gelöst wurden, dass das DBB-System in einer Box mit kontrollierter Luftströmung untergebracht wurde.
Zusammenfassung
In einem früheren Whitepaper zu Mephisto haben wir erläutert, wie die Kombination aus einer monolithischen nicht-planaren Ringoszillatorstruktur(NPRO) 및 활성 Noise Eater-Technologie die Mephisto Laser von 바카라 카지노 zur rauschärmsten Quelle für anspruchsvolle Anwendungen mit geringer Linienbreite macht. 최고의 백서에서는 최고의 성능을 발휘하는 Behauptungen von unabhängiger Seite에서 GWD-Programme haben Mephisto als Seed-Laser für ihre ultrastabilen Interferometriesysteme gewählt und erfolgreich Gravitationswellen nachgewiesen을 확인하실 수 있습니다. Wir haben außerdem die Egebnisse der umfassendsten Evaluierung mehrerer Lasereinheiten, die jemals in einem von Experten begutachteten Forum veröffentlicht wurde, vorgelegt. Diese Studie는 Rauschen 및 andere überlegene Spezifikationen der Mephisto Laser의 최고 수준에 도달했으며, Sondern zeigt auch die hervorragende Konsistenz der einzelnen Geräte in allen wichtigen Leistungsparametern에 대해 알아보았습니다. Die Langzeitstudie mit einem dieser Laser hat eindeutig bestätigt, dass diese Ausgangsparameter über einen längeren Betriebszeitraum hinweg unglaublich stable sind.
Mit einer Linienbreite von ≤ 3 kHz eignen sich Mephisto Laser und Hochleistungs-Mephisto MOPA-Modelle Gut für eine Vielzahl anspruchsvoller Anwendungen, darunterAtomeinfang, Forschung zu gequetschten Zuständen, Quantenoptik, Gravitationswellenerkennung, Fasersensorikund Spitzenforschung im Bereichkohärente Kommunikation. Keine dieser Anwendungen은 Anforderungen an das Laserrauschen und die Linienbreite als GWD, wo Mephisto Laser in allen großen Observatorien erfolgreich eingesetzt wurden에 대해 자세히 설명합니다. Daraus lässt sich folgern, dass diese Laser auch in anderen Anwendungen die gleiche hervorragende Leistung erbringen werden.
Referencenzen
[1] R.E. Bartolo, A. Tveten, C.K. 커켄달, Proc. 폰 SPIE Vol. 7503, 750370-1 (2009)
[2] P. Kwee und B. Willke, Appl. 고르다. 47, 6022(2008)
[3] B. P. 애보트외.(LIGO 과학 협력 및 Virgo 협력), Phys. Lett 목사. 116, 061102 (2016)
[4] Siehe 바카라 카지노, Corp. Mephisto 데이터 시트
[5] B. 윌케외., 클래스. 양자 중력. 25 (2008) 114040.