KAGRA引力波探测器中蓝宝石测试镜光学性质研究

低温制冷技术是下一代激光干涉仪引力波探测器的核心技术之一.日本引力波探测器KAGRA(Kamioka Gravitational Wave Detector)作为该技术的前沿开拓者,将运行在20 K的超低温环境中,并使用在低温下热噪声较低的单晶蓝宝石晶体作为测试镜.然而,高质量大尺寸低吸收率的蓝宝石晶体极难制备.此外,由于蓝宝石晶体存在晶格结构不均匀,很容易导致不必要的双折射效应,从而影响探测器的目标灵敏度.基于上述问题,开发了两套大尺寸光学测量系统,首次系统研究了KAGRA低温蓝宝石测试镜的光学特性.首先,根据探测器对测试镜热噪声的要求,开发了一套基于光热共光路干涉技术的光学测量系统,该系统可对测试镜以及测试镜表面涂层的光学吸收进行有效的表征.其次,基于光学吸收测量系统,开发了一套双折射效应测量系统,该系统可以有效表征测试镜中双折射的均匀性.目前两套测量系统的搭建与调试已完成,对蓝宝石测试镜光学吸收的测量灵敏度达到了1.5 ppm/cm,双折射测量系统的空间分辨率小于0.3 mm×0.3 mm.该工作对降低大尺寸低温测试镜双折射效应及提高探测器灵敏度具有重要意义.

KAGRA引力波探测器中频率相关压缩态实验进展

随着技术的发展,下一代引力波探测器的激光功率将得到进一步提高。大光斑半径的应用也将使探测器的热噪声进一步降低,因此,量子噪声将成为在全频段限制引力波探测器灵敏度的首要因素。作为目前最有保障的一种降低量子噪声的技术,频率相关压缩态很可能将被应用于下一代所有引力波探测器中^([1])。频率相关压缩态可以通过将频率不相关压缩态与滤波腔相结合而产生。基于滤波腔具有的频率响应特性,这一技术的应用可以使低频波段的辐射压噪声有效降低,同时实现高频波段散粒噪声的降低,从而实现全探测频段灵敏度的提升。基于日本KAGRA引力波探测器的设计,我们预计将9dB压缩度的压缩态与周损失为8×10^(-5)的300m滤波腔相结合,可以使探测器灵敏度在全探测频段提高1倍。此实验于2015年开始,目前滤波腔的安装调试已经基本完成,得到的结果基本与实验前的模拟相符合。与频率不相关压缩态光学实验台的安装过程也已经过半,通过温度和控制回路的调制,二次谐波腔的转化率已经超过50%。