고객 성공 스토리
KAGRA는 저소음 메피스토 레이저를 사용하는 최신 중력파 망원경입니다
도전
일본 카미오카에 위치한 대규모 극저온 중력파 망원경(KAGRA)은 2020년에 가동된 최신 중력파 관측소입니다. LIGO 및 Virgo와 마찬가지로 KAGRA는 레이저 기반 Michelson입니다. 간섭계. 중력파가 현장을 통과할 때 두 개의 간섭계 팔 길이에 작은 변화가 발생합니다. 그러나 KAGRA 팔 길이가 3km라도 큰 중력파로 인해 양성자 직경의 1/1000 미만, 즉 10-19미터. 결과적으로 신호 대 잡음은 이러한 파동을 감지하는 데 있어 큰 과제입니다.
해결책
KAGRA는 지하에 위치한 최초의 대규모 중력파 망원경으로 지진 소음과 중력 경사 소음을 줄여줍니다. 또한 열 소음을 억제하기 위해 극저온(20켈빈)에서 작동하는 최초의 제품이기도 합니다. 이는 사파이어의 열 전도성이 높기 때문에 사파이어 테스트 질량(거울)을 사용하도록 지시했습니다.1064 nm 레이저 파장에 대한 낮은 온도와 높은 투명성.
일관된 메피스토은 LIGO 및 Virgo에서 사용되는 것과 같은 이유로 레이저 발진기로 사용됩니다. 진폭과 주파수 모두에서 레이저 업계에서 노이즈가 가장 낮은 레이저입니다. 이는 단결정이 전체 레이저 캐비티를 형성하는 비평면 링 발진기(NPRO)를 기반으로 하여 본질적으로 안정적인 성능을 제공하고 특별히 설계된 전자 장치를 사용하여 더욱 향상되기 때문입니다. 그런 다음 Mephisto의 저잡음 1064nm 출력은 고체 증폭기를 통해 60W 전력으로 증폭되고 위상 및 진폭 잡음은 더욱 억제됩니다. 이로 인해 순환 전력이 발생합니다. 간섭계 암 수준은 ~0.4메가와트입니다.
Tokyo Institute of Technology의 후원으로 운영되는 KAGRA는 또한 LIGO 및 Virgo와 협력하여 향상된 데이터와 더 높은 방향 정보를 제공합니다.
결과
KAGRA가 설계 민감도에 도달하면 수많은 중력파 이벤트가 기록됩니다. 엔지니어와 과학자들은 이미 이러한 간섭계의 놀라운 성능을 더욱 향상시키는 방법을 찾고 있습니다! 이 작업의 일부는 KAGRA 산하 Tokyo Institute of Technology의 연구실에서 수행되고 있습니다. 여기에서는 소미야 켄타로 교수와 동료들이 소음 감소에 대해 연구하고 있습니다. Somiya는 "KAGRA의 열 잡음 감소 덕분에 곧 레이저 시스템의 양자 잡음(양자 물리학의 한계에서 레이저 진폭과 위상의 불확실성)으로 인해 데이터가 제한될 것입니다. 우리는 이 양자 잡음을 줄이기 위한 몇 가지 새로운 방법을 개발하고 있습니다. 이 작업은 Mephisto 발진기의 자연적인 저잡음 없이는 불가능했을 것입니다." 목표는 KAGRA+ 및 기타 차세대 중력파 망원경에서 이러한 기술을 활용하는 것입니다. 소미야는 중성자별 합병으로 인한 시공간 파문의 명확한 각인을 관찰하기 위해 kHz 영역의 감도를 향상시키기 위해 독일의 600m 중력파 탐지기인 GEO-HF에서 최첨단 기술을 최초로 구현하는 것을 목표로 하고 있습니다.
“우리는 양자 물리학의 한계에서 소음 감소 기술을 연구하고 있습니다. 이것은 메피스토 레이저의 자연적인 저잡음 없이는 불가능할 것입니다."
소미야 켄타로, 일본 도쿄 공업대학 부교수
그림 1:KAGRA 망원경은 지진 소음과 중력 경사 소음을 줄이는 최초의 대규모 중력파 망원경입니다. 일본 카미오카 지하에 위치.