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낮은 소음 및 높은 단위 간 일관성

최첨단 중력파 응용 분야에 대한 Mephisto의 성능에 대한 동료 검토 및 기타 독립적인 제3자 평가와 관련 수명 테스트를 통해 모두 이 레이저의 뛰어난 성능, 신뢰성 및 높은 단위 간 일관성을 확인했습니다.

소개

낮은 출력 잡음 및 매우 좁은 선폭 요구 사항과 관련하여 장경로 간섭계를 기반으로 한 중력파 감지(GWD)가 현재 원자 냉각보다 훨씬 더 좁은 선폭 CW 레이저에 대한 가장 까다로운 응용 분야를 대표한다고 주장하는 사람은 거의 없습니다. 중력파에 대한 다수의 성공적인 탐지는 미국의 루이지애나주 리빙스턴과 워싱턴주 핸포드에 있는 미국의 두 장소와 이탈리아의 VIRGO 중력파 탐지기에서 운영되는 LIGO(Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory)에서 수행되었습니다. LIGO를 이전 설정과 구별하기 위해 이를 종종 Advanced LIGO라고 합니다. 이 백서에서는 이 응용 분야의 소음 요구 사항을 살펴보고 바카라 카지노 Mephisto 레이저가 LIGO 및 기타 감지기에 사용되는 방법과 이유에 대해 논의합니다.  또한 Mephisto가 중력파 탐지기 사용을 선택하기 이전에 진행된 제3자 연구의 결과와 결론 중 일부도 살펴봅니다. 이 작업에서는 이러한 유형의 최첨단 프로젝트에 대한 적합성을 평가하기 위해 Mephisto 레이저의 균일성을 구체적으로 평가했습니다.

중력파 감지 – 최저 소음 애플리케이션

중력파 탐지 프로젝트는 중력파, 즉 아인슈타인이 1916년 일반 상대성 이론의 일부로 예측한 시공간의 미세한 파동을 직접 관찰하는 것을 목표로 합니다.  이러한 잔물결은 쌍성 중성자별의 흡기나 두 개의 블랙홀의 합체와 같은 질량/에너지의 주요 섭동으로 인해 발생합니다.  상대론적 예측을 확인할 뿐만 아니라, 이러한 관측은 암흑 물질, 암흑 에너지 등 잘 이해되지 않은 현상에 대한 빛을 밝혀줄 뿐만 아니라 양자 중력에 대한 질문에도 답할 것입니다. 

중력파에 대한 지구 경계 측정은 엄청나게 어렵습니다. 왜냐하면 중력은 가장 약한 힘이고 이러한 천체 격변 사건의 낮은 확률은 엄청난 거리(큰 검색량을 커버하기 위해), 즉 수십 또는 수백 Mpc(1 Mpc는 326만 광년)에서 감지해야 함을 의미하기 때문입니다.  결과적으로 연구자들은 10분의 1만큼 작은 시공간 변조를 관찰할 수 있는 능력이 필요합니다.²².  이러한 작은 시공간 이동을 감지하는 데 선호되는 접근 방식은 매우 안정적인 레이저를 사용하는 장경로 간섭계입니다.  이러한 간섭계(LIGO, GEO600, Virgo, KAGRA)는 모두 90도 각도로 킬로미터 길이의 팔을 가지고 있습니다.  그러나 이러한 길이에서도 기준 질량의 거울 표면 이동은 양성자 직경의 약 1/10000만큼만 변할 것으로 예측됩니다.  이는 5 x 10에 해당합니다.^-12102266_102559네 명 모두이러한 프로그램은 안정성이 뛰어난 맞춤형 레이저 시스템의 1단계 발진기로 바카라 카지노 Mephisto 레이저를 활용합니다.  Mephisto 레이저가 선택된 이유는 이전에 독립적인 연구를 통해 이러한 레이저가 가장 낮은 소음과 뛰어난 단위 간 일관성을 제공한다는 사실이 확인되었기 때문입니다[2].

이러한 국제 협력 프로그램 중 하나인 LIGO에 대한 간략한 조사는 장경로 간섭계를 사용한 중력파 감지에서 레이저 과제의 규모를 강조하는 데 도움이 됩니다.  이러한 유형의 응용 분야에서 레이저 노이즈의 제한적인 성능 지수는 위상 노이즈, 즉 유한한 선폭과 주파수 안정성에 의해 결정되는 레이저 파장의 자연스러운 지터입니다.  (레이저 노이즈에 대한 간략한 논의는 Mephisto 백서를 참조하세요.초저소음 및 좁은 선폭).

LIGO는 L의 각 팔 길이가 4km인 두 개의 동일한 L자형 간섭계로 구성됩니다.  미국의 간섭계는 수천 킬로미터 거리(워싱턴주 핸포드와 루이지애나주 리빙스턴)에 위치하므로 동기화된 측정을 통해 실제 사건과 국지적 이상 현상을 구별할 수 있습니다. 

LIGO의 1세대는 2002년에 완성되었으며 그 성능(감도)은 중력파 감지 가능성의 가장자리 근처에서 고려되었습니다.  그러나 그것은 중력파에 명확하게 할당될 수 있는 데이터 이벤트를 생성하지 않았으며, 그 자체로 귀중한 정보인 관측 가능한 중력 플럭스에 대한 새로운 상한선을 설정했습니다.  그 결과, 업데이트된 버전인 Advanced LIGO가 개발되어 감도와 주파수 범위가 모두 10배 증가한 관측이 시작되었습니다.  수십 년간의 집중적인 연구와 향상된 감도를 통해 LIGO는 2015년 9월 최초로 중력파를 직접 탐지했습니다[3].  LIGO 간섭계의 입력에 사용된 레이저는 Mephisto 2W 출력 전력 장치였으며 그 다음에는 전력 증폭기 및 안정화 방식이 사용되었습니다.

고급 LIGO

Advanced LIGO는 광학 설정, 레이저 시스템 및 미러 서스펜션 시스템의 변경을 통해 LIGO 감지기의 감도를 크게 높였습니다.

레이저 요구사항은 무엇입니까?  원래 형식에서는 ~100Hz의 주파수에서 중력파 감지에 허용되는 상대 전력 잡음(RPN)이 < 2 x 10인 것으로 추정되었습니다.^-9Hz^-1/210와트의 레이저 출력을 기준으로 합니다.  새로운 Advanced LIGO 설정에서는 대상 레이저 소음이 동일하게 낮은 수준으로 유지되었지만 감도 개선의 일환으로 출력이 200와트 범위로 향상되었습니다.  (측정 샷 노이즈는 전력의 제곱근에 따라 증가하는 반면, 신호는 전력에 비례하여 증가합니다.) 

Mephisto는 이완 발진의 효과를 제거하는 데 사용되는 Noise Eater 기술[4] 덕분에 상용 레이저 발진기 중 가장 낮은 잡음을 제공합니다.  그럼에도 불구하고 LIGO 소음 요구 사항은 자유 실행 모드에서 2와트 Mephisto의 보장된 소음 사양보다 3배나 낮습니다.  또한 레이저 발진기 전력을 목표 200W 범위로 높이기 위해 허용되는 최저 잡음 접근 방식은 Mephisto MOPA와 유사한 마스터 발진기 전력 증폭기(MOPA) 구성에 발진기를 통합하고 이를 사용하여 고출력 링 발진기를 주입 잠그는 것입니다.  이전에 독립적인 연구에 따르면 Mephisto와 같은 저잡음 NPRO 유형 레이저가 이 3단계 설정에서 200와트 범위로 증폭되면 최소 잡음이 최대 3배까지 증가하는 것으로 나타났습니다[5]. 그림 1 참조. 수백 와트의 전력과 10 미만의 소음을 달성하기 위한 기술 및 노력 결과 검토^-8Hz^-1/2LIGO의 내용은 이 문서의 범위를 벗어납니다.  그러나 Mephisto의 출력과 연속적인 증폭 단계 모두에 사용되는 여러 개의 중첩된 노이즈 감소 루프를 사용하여 노이즈가 목표 수준까지 감소되었습니다.

Mephisto는 매우 낮은 상대 전력 잡음뿐만 아니라 극히 낮은 주파수 잡음도 제공합니다.  그러나 LIGO 감도 목표를 달성하려면 여전히 Mephisto 레이저의 낮은 노이즈 시작 레벨에서 해당 주파수 노이즈를 몇 배나 줄여야 합니다.  다행스럽게도 LIGO의 경우 Mephisto에는 모놀리식 레이저 공동의 피에조(빠른) 및 온도(느린) 조정 형태의 주파수 제어 요소가 이미 포함되어 있습니다.  이는 레이저 주파수를 광학 공진기 또는 분자 흡수 선과 같은 외부 기준으로 안정화하여 주파수 노이즈를 줄이는 데 사용할 수 있습니다.  LIGO 설정에서 이러한 컨트롤은 레이저 주파수를 광학 기준에 고정하고 노이즈를 목표 수준으로 낮추기 위해 일련의 제어 루프의 일부로 사용됩니다.

레이저 장치 간 일관성 및 신뢰성

레이저 발진기 일관성과 장기적인 신뢰성은 LIGO와 같은 중력파 감지 시스템에 대한 두 가지 중요한 요구 사항입니다.  LIGO에는 총 6개가 필요하기 때문입니다.동일안정화된 레이저 시스템(관측 레이저 3개, 예비 레이저 2개, 기준 시스템 1개), 안정화 정도에 따라 레이저 발진기와 증폭기 성능이 절대 한계까지 올라갑니다.  전체 소음은 시드 레이저 발진기 소음에 따라 크게 달라집니다.  더욱이, 측정 가능한 중력파가 지구에 도달할 가능성이 낮기 때문에 이러한 레이저는 이러한 희귀 사건 중 하나를 감지할 가능성을 높이기 위해 수년간의 지속적인 관찰을 지원해야 합니다.

GWD 시스템을 위한 여러 개의 동일한 레이저에 대한 필요성은 하노버에 있는 Albert Einstein Institute의 Patrick Kwee와 Benno Willke가 몇 년 전에 발표한 연구의 주요 동인으로 언급되었습니다. 연구진은 전력 및 주파수 노이즈, 포인팅 변동 및 공간 모드[2]를 포함한 다양한 출력 매개변수의 포괄적인 세트에 대해 테스트된 8개의 Mephisto 레이저의 성능을 비교했습니다. 모든 매개변수는 GWD와 같은 응용 분야에서 동일하고 안정적이어야 합니다.  이 연구에서 레이저 중 하나는 3.5개월(>3,500시간) 작동 동안 다양한 매개변수에 대해 자동으로 지속적으로 테스트되었습니다.  우리가 아는 한, 이것은 동료 검토 저널에 발표된 결과와 비교했을 때 가장 큰 좁은 선폭 레이저 배치입니다.

여러 매개변수를 동시에 측정하기 위해 이 연구자들은 진단 브레드보드(DBB)라는 맞춤형 도구를 개발했습니다.  출판된 논문을 인용하자면,"DBB는 선형 편광, 단일 주파수, 연속파 레이저 빔의 특성화를 위해 설계되었습니다.  이를 통해 1Hz~100kHz의 푸리에 주파수 대역에서 전력 잡음, 주파수 잡음, 빔 포인팅 변동은 물론 최대 100MHz의 무선 주파수(RF) 및 공간 빔 품질의 전력 잡음도 측정할 수 있습니다.  레이저 빔 특성화는 RF 전력을 제외하고 컴퓨터에 의해 완전히 자동화되었습니다. 소음 측정.”  자동화된 측정은 작업자 오류/주관성을 방지하기 위한 핵심 요소로 인식되었습니다.

그들의 연구에 따르면 모든 레이저 출력 매개변수의 단위 간 변화는 현저히 작은 것으로 나타났습니다.  측정 세트의 일반적인 예가 그림 2에 나와 있습니다. 이는 8개의 테스트 레이저에서 일관되게 낮은 상대 출력 노이즈를 보여줍니다.  저자는 이 8개의 Mephisto 레이저에 대한 철저한 연구를 다음과 같이 요약합니다.특성화 결과는 NPRO가 매우 안정적인 레이저 소스이며 서로 다른 샘플 간의 변동이 다소 작다는 것을 보여줍니다.” 결과적으로 “NPRO는 간섭계 중력파 검출기 작동에 이상적입니다.  빠르고 높은 동적 범위의 주파수 액추에이터와 결합하여 낮고 고정된 주파수 잡음을 갖기 때문에 더 많은 출력 전력이 필요한 경우 증폭기 또는 주입 잠금 구성의 마스터 발진기로 특히 적합합니다.”  

단일 Mephisto 레이저의 장기 테스트에서도 3600시간의 테스트 기간 동안 측정된 모든 출력 매개변수의 탁월한 안정성이 확인되었습니다.  그림 4의 데이터에서 볼 수 있듯이 저자는 다음과 같이 언급했습니다."주파수 소음을 장기간 측정한 결과 소음이 매우 고정된 것처럼 보였고 측정값 간의 변동이 작은 것으로 나타났습니다."

장기 안정성의 또 다른 예는 그림 4에 요약되어 있습니다.  특히 연구원들은 DBB 시스템을 제어된 공기 흐름 상자에 넣어 부분적으로 해결한 이러한 측정에 대한 일부 환경적 유발(공기 흐름) 제한에도 불구하고 뛰어난 장기 포인팅 안정성을 관찰했습니다.

참고자료

[1]   R.E. 바르톨로(Bartolo), A. 트베텐(A. Tveten), C.K. 커켄달, Proc. of SPIE Vol. 7503, 750370-1 (2009)
[2]   P. Kwee와 B. Willke, Appl. 고르다. 47, 6022(2008)
[3]   B. P. 애보트외.(LIGO 과학 협력 및 Virgo 협력), Phys. Lett 목사. 116, 061102 (2016)
[4]    바카라 카지노, Corp. Mephisto 데이터 시트 참조
[5]   B. 윌케외., 클래스. 양자 중력. 25 (2008) 114040.