激光干涉引力波探测器的参量不稳定性问题及其研究进展
发布时间：2022-01-24 00:43
在激光干涉引力波探测器的干涉臂中,激光的功率非常高。这一设计降低了量子散粒噪声对探测灵敏度的影响,但却给引力波探测带来了参量不稳定性问题。激光干涉引力波探测器中的参量不稳定性问题由其臂腔内光学模与测试物质的声学模之间的相互作用引起,它使得测试物质的振荡呈指数型增长,最终可导致臂腔无法正常工作。从参量不稳定性问题的首次提出到今天,人们通过理论计算、模拟以及实验,提出且验证了多种抑制参量不稳定性问题的办法。首先回顾了激光干涉引力波探测器中参量不稳定性问题的研究过程,然后对参量不稳定性问题的理论模型进行了简单的介绍,最后着重分析了包括环形加热器、静电驱动器以及声学模阻尼器在内的三种目前比较重要的解决参量不稳定性问题的方法,并介绍了几种在未来值得尝试的新方法:使用阵列加热器改变探测器测试物质的形状,利用光学反馈来抑制探测器臂腔内的高阶模强度,以及设计消除参量不稳定性隐患的新一代探测器。
【文章来源】：天文学进展. 2020,38(04)北大核心CSCD
【文章页数】：16 页
【部分图文】：
Advanced LIGO静电驱动装置的模拟图[21]
图6所示的是Advanced LIGO的静电驱动系统反馈回路的简图。竖直方向干涉臂的透射光被一个四象限的光电探测器收集，该四象限光电探测器可以测量到臂腔内基模(TEM00)和三阶模(TEM03)之间的拍频信号，该三阶模是被测试物质的一个声学模(15.54 k Hz)散射出来的。拍频信号先通过一个15.54 k Hz的带通滤波器以及一个放大倍数可调的放大器，再经过移相器之后被传输到静电驱动器上。通过该反馈驱动过程，Advanced LIGO把这个TEM03模所对应的参量增益从2.4降到了0.18[21]，施加在测试物质上的静电力从测试物质振荡最严重时的0.62 n N，降到了稳态时的0.03 n N[21]。静电驱动方法同样会在臂腔内激光功率增大时遇到难以解决的困难。如随着激光功率增大而新出现的不稳定模式可能与静电驱动力的分布仅有很小的空间重叠，因此，即使是一个很小参量增益，也需要非常大的驱动力来抑制。Miller等人[33]的模拟结果显示，在30～90 k Hz频段内出现的一些不稳定模式，可能需要比目前大30倍的静电力来抑制。与此同时，每一个不稳定模式将会对应一个独立的控制信号，这意味着随着不稳定模式的增加，反馈回路的设计也将变得异常复杂。
声学模阻尼器的关键元件是一个压电陶瓷，它把测试物质的应变能转化为电能，最后通过电阻以热能的形式耗散掉。这样一个耗散系统，本质上是一个损耗很大的弹簧，声学模阻尼器(AMD)可看作是该弹簧与连接在该弹簧上的小质量物体的组合。而在考虑被隔震系统悬挂起来的测试物质(TM)时，我们可以认为它是通过一个几乎没有损耗的弹簧连接在固定的墙壁上，因此阻尼器与测试质量组成的系统构成了一个质量比很大的耦合振荡器，图7是其简化的概念模型。通过选择合适的阻尼器(损耗很大、质量很小且其共振频与测试物质共振频一致)，系统的品质因子便可减小到足以将参量增益降低到1以下。为了实现宽带宽阻尼，Advanced LIGO的每一测试物质上都安装了4个针对不同频段的阻尼器，对于阻尼器没有覆盖到的10 k Hz频段的2个不稳定的模，则采用3.1节中所提到的环形加热器来抑制。声学模阻尼器在Advanced LIGO的O3观测中发挥了很重要的作用，但未来阻尼器的使用将同样面临一些问题。一方面，随着激光功率的提升，臂腔内会出现更多其他频率的不稳定模式(在15～80 k Hz频段之外)，现有的不稳定模式的参量增益也会随之变大，针对新的频率以及更大的参量增益设计新的阻尼器将是一项新的挑战；另一方面，未来的引力波探测器的热噪声将会变得更低，这意味着由声学模阻尼器引入的热噪声虽然在目前可以忽略，但是在未来将不可忽略。
【参考文献】：
期刊论文
[1]激光干涉仪引力波探测器[J]. 王运永,朱兴江,刘见,马宇波,朱宗宏,曹军威,都志辉,王小鸽,钱进,殷聪,刘忠有,BLAIR D,JU Li,ZHAO Chun-nong. 天文学进展. 2014(03)
本文编号：3605486
【文章来源】：天文学进展. 2020,38(04)北大核心CSCD
【文章页数】：16 页
【部分图文】：
Advanced LIGO静电驱动装置的模拟图[21]
图6所示的是Advanced LIGO的静电驱动系统反馈回路的简图。竖直方向干涉臂的透射光被一个四象限的光电探测器收集，该四象限光电探测器可以测量到臂腔内基模(TEM00)和三阶模(TEM03)之间的拍频信号，该三阶模是被测试物质的一个声学模(15.54 k Hz)散射出来的。拍频信号先通过一个15.54 k Hz的带通滤波器以及一个放大倍数可调的放大器，再经过移相器之后被传输到静电驱动器上。通过该反馈驱动过程，Advanced LIGO把这个TEM03模所对应的参量增益从2.4降到了0.18[21]，施加在测试物质上的静电力从测试物质振荡最严重时的0.62 n N，降到了稳态时的0.03 n N[21]。静电驱动方法同样会在臂腔内激光功率增大时遇到难以解决的困难。如随着激光功率增大而新出现的不稳定模式可能与静电驱动力的分布仅有很小的空间重叠，因此，即使是一个很小参量增益，也需要非常大的驱动力来抑制。Miller等人[33]的模拟结果显示，在30～90 k Hz频段内出现的一些不稳定模式，可能需要比目前大30倍的静电力来抑制。与此同时，每一个不稳定模式将会对应一个独立的控制信号，这意味着随着不稳定模式的增加，反馈回路的设计也将变得异常复杂。
声学模阻尼器的关键元件是一个压电陶瓷，它把测试物质的应变能转化为电能，最后通过电阻以热能的形式耗散掉。这样一个耗散系统，本质上是一个损耗很大的弹簧，声学模阻尼器(AMD)可看作是该弹簧与连接在该弹簧上的小质量物体的组合。而在考虑被隔震系统悬挂起来的测试物质(TM)时，我们可以认为它是通过一个几乎没有损耗的弹簧连接在固定的墙壁上，因此阻尼器与测试质量组成的系统构成了一个质量比很大的耦合振荡器，图7是其简化的概念模型。通过选择合适的阻尼器(损耗很大、质量很小且其共振频与测试物质共振频一致)，系统的品质因子便可减小到足以将参量增益降低到1以下。为了实现宽带宽阻尼，Advanced LIGO的每一测试物质上都安装了4个针对不同频段的阻尼器，对于阻尼器没有覆盖到的10 k Hz频段的2个不稳定的模，则采用3.1节中所提到的环形加热器来抑制。声学模阻尼器在Advanced LIGO的O3观测中发挥了很重要的作用，但未来阻尼器的使用将同样面临一些问题。一方面，随着激光功率的提升，臂腔内会出现更多其他频率的不稳定模式(在15～80 k Hz频段之外)，现有的不稳定模式的参量增益也会随之变大，针对新的频率以及更大的参量增益设计新的阻尼器将是一项新的挑战；另一方面，未来的引力波探测器的热噪声将会变得更低，这意味着由声学模阻尼器引入的热噪声虽然在目前可以忽略，但是在未来将不可忽略。
【参考文献】：
期刊论文
[1]激光干涉仪引力波探测器[J]. 王运永,朱兴江,刘见,马宇波,朱宗宏,曹军威,都志辉,王小鸽,钱进,殷聪,刘忠有,BLAIR D,JU Li,ZHAO Chun-nong. 天文学进展. 2014(03)
本文编号：3605486
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