在激光干涉引力波探測器的干涉臂中,激光的功率非常高。這一設(shè)計(jì)降低了量子散粒噪聲對探測靈敏度的影響,但卻給引力波探測帶來了參量不穩(wěn)定性問題。激光干涉引力波探測器中的參量不穩(wěn)定性問題由其臂腔內(nèi)光學(xué)模與測試物質(zhì)的聲學(xué)模之間的相互作用引起,它使得測試物質(zhì)的振蕩呈指數(shù)型增長,最終可導(dǎo)致臂腔無法正常工作。從參量不穩(wěn)定性問題的首次提出到今天,人們通過理論計(jì)算、模擬以及實(shí)驗(yàn),提出且驗(yàn)證了多種抑制參量不穩(wěn)定性問題的辦法。首先回顧了激光干涉引力波探測器中參量不穩(wěn)定性問題的研究過程,然后對參量不穩(wěn)定性問題的理論模型進(jìn)行了簡單的介紹,最后著重分析了包括環(huán)形加熱器、靜電驅(qū)動器以及聲學(xué)模阻尼器在內(nèi)的三種目前比較重要的解決參量不穩(wěn)定性問題的方法,并介紹了幾種在未來值得嘗試的新方法:使用陣列加熱器改變探測器測試物質(zhì)的形狀,利用光學(xué)反饋來抑制探測器臂腔內(nèi)的高階模強(qiáng)度,以及設(shè)計(jì)消除參量不穩(wěn)定性隱患的新一代探測器。 

【文章來源】：天文學(xué)進(jìn)展. 2020,38(04)北大核心CSCD

【文章頁數(shù)】：16 頁

【部分圖文】：

Advanced LIGO靜電驅(qū)動裝置的模擬圖[21]

圖6所示的是Advanced LIGO的靜電驅(qū)動系統(tǒng)反饋回路的簡圖。豎直方向干涉臂的透射光被一個(gè)四象限的光電探測器收集，該四象限光電探測器可以測量到臂腔內(nèi)基模(TEM00)和三階模(TEM03)之間的拍頻信號，該三階模是被測試物質(zhì)的一個(gè)聲學(xué)模(15.54 k Hz)散射出來的。拍頻信號先通過一個(gè)15.54 k Hz的帶通濾波器以及一個(gè)放大倍數(shù)可調(diào)的放大器，再經(jīng)過移相器之后被傳輸?shù)届o電驅(qū)動器上。通過該反饋驅(qū)動過程，Advanced LIGO把這個(gè)TEM03模所對應(yīng)的參量增益從2.4降到了0.18[21]，施加在測試物質(zhì)上的靜電力從測試物質(zhì)振蕩最嚴(yán)重時(shí)的0.62 n N，降到了穩(wěn)態(tài)時(shí)的0.03 n N[21]。靜電驅(qū)動方法同樣會在臂腔內(nèi)激光功率增大時(shí)遇到難以解決的困難。如隨著激光功率增大而新出現(xiàn)的不穩(wěn)定模式可能與靜電驅(qū)動力的分布僅有很小的空間重疊，因此，即使是一個(gè)很小參量增益，也需要非常大的驅(qū)動力來抑制。Miller等人[33]的模擬結(jié)果顯示，在30～90 k Hz頻段內(nèi)出現(xiàn)的一些不穩(wěn)定模式，可能需要比目前大30倍的靜電力來抑制。與此同時(shí)，每一個(gè)不穩(wěn)定模式將會對應(yīng)一個(gè)獨(dú)立的控制信號，這意味著隨著不穩(wěn)定模式的增加，反饋回路的設(shè)計(jì)也將變得異常復(fù)雜。

聲學(xué)模阻尼器的關(guān)鍵元件是一個(gè)壓電陶瓷，它把測試物質(zhì)的應(yīng)變能轉(zhuǎn)化為電能，最后通過電阻以熱能的形式耗散掉。這樣一個(gè)耗散系統(tǒng)，本質(zhì)上是一個(gè)損耗很大的彈簧，聲學(xué)模阻尼器(AMD)可看作是該彈簧與連接在該彈簧上的小質(zhì)量物體的組合。而在考慮被隔震系統(tǒng)懸掛起來的測試物質(zhì)(TM)時(shí)，我們可以認(rèn)為它是通過一個(gè)幾乎沒有損耗的彈簧連接在固定的墻壁上，因此阻尼器與測試質(zhì)量組成的系統(tǒng)構(gòu)成了一個(gè)質(zhì)量比很大的耦合振蕩器，圖7是其簡化的概念模型。通過選擇合適的阻尼器(損耗很大、質(zhì)量很小且其共振頻與測試物質(zhì)共振頻一致)，系統(tǒng)的品質(zhì)因子便可減小到足以將參量增益降低到1以下。為了實(shí)現(xiàn)寬帶寬阻尼，Advanced LIGO的每一測試物質(zhì)上都安裝了4個(gè)針對不同頻段的阻尼器，對于阻尼器沒有覆蓋到的10 k Hz頻段的2個(gè)不穩(wěn)定的模，則采用3.1節(jié)中所提到的環(huán)形加熱器來抑制。聲學(xué)模阻尼器在Advanced LIGO的O3觀測中發(fā)揮了很重要的作用，但未來阻尼器的使用將同樣面臨一些問題。一方面，隨著激光功率的提升，臂腔內(nèi)會出現(xiàn)更多其他頻率的不穩(wěn)定模式(在15～80 k Hz頻段之外)，現(xiàn)有的不穩(wěn)定模式的參量增益也會隨之變大，針對新的頻率以及更大的參量增益設(shè)計(jì)新的阻尼器將是一項(xiàng)新的挑戰(zhàn)；另一方面，未來的引力波探測器的熱噪聲將會變得更低，這意味著由聲學(xué)模阻尼器引入的熱噪聲雖然在目前可以忽略，但是在未來將不可忽略。

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]激光干涉儀引力波探測器[J]. 王運(yùn)永,朱興江,劉見,馬宇波,朱宗宏,曹軍威,都志輝,王小鴿,錢進(jìn),殷聰,劉忠有,BLAIR D,JU Li,ZHAO Chun-nong.  天文學(xué)進(jìn)展. 2014(03)



本文編號：3605486