Подробная схема лазерной системы LIGO, показывающая компоненты усиления мощности и стабилизации частоты
Луч 200 Вт, который поступает в интерферометры LIGO, начинается внутри лазерного диода, который использует электричество для генерации луча ближнего инфракрасного излучения мощностью 4 Вт, 808 нм. В то время как лазерные диоды являются типом устройств, которые можно встретить в повседневных лазерных указках, при мощности 4 Вт, LIGO в 800 раз мощнее, чем большинство имеющихся в продаже лазерных указок. Этот луч сначала направляется в кристалл искусственного граната размером с ноготь, в котором он циркулирует и стимулирует излучение пучка мощностью 2 Вт с длиной волны 1064 нм. Это устройство генерации кристалла называется неплоским кольцевым генератором (NPRO), а полученный луч мощностью 2 Вт называется «затравочным» лучом, потому что в конечном итоге он превратится в гораздо более мощный лазер.
Непланарный кольцевой генератор, в котором лазер LIGO начинает свое путешествие. (Фото: Питер Кинг)
В то время как 1064 нм является целевой длиной волны для лазера LIGO, ему нужно в 100 раз больше энергии, прежде чем он сможет войти в интерферометр. Чтобы попасть туда, 2-ваттный затравочный луч подвергается двум ступеням усиления, которые увеличивают его мощность почти до 200 Вт.
На многогранном первом этапе усиления затравочный пучок проходит через устройство, называемое усилителем мощности генератора (MOPA). MOPA содержит четыре тонких стержня лазерного усилителя, которые начинают процесс повышения мощности. Эти стержни, состоящие из стеклоподобного материала из неодима, иттрия, лития и фторида, имеют размер графита внутри карандаша: всего 3 мм в диаметре и 5 см в длину.
Чтобы усилить затравочный пучок, молекулы в каждом стержне сначала запитываются, направляя отдельные 808 нм лазеры в каждый стержень. Когда затравочный пучок также проходит через первый стержень, молекулы стержня реагируют излучением фотонов с длиной волны 1064 нм с такими же свойствами (фаза, длина волны), что и у поступающего затравочного пучка. Эти новые фотоны с длиной волны 1064 нм соединяются с фотонами из исходного пучка, движущимися в том же направлении (чем больше фотонов, тем больше мощность). Этот более мощный пучок затем перемещается во второй стержень, где этот процесс усиления происходит снова, затем снова в третьем и снова в четвертом стержне. Подобно притокам реки, на каждой стадии этого процесса усиления все больше и больше фотонов с одинаковой длиной волны присоединяются к затравочному пучку, постепенно увеличивая его мощность.
Путь луча от MOPA (синяя линия, входящая снизу слева) через генератор высокой мощности, поскольку он усиливается от 35 Вт до 200 Вт. (Предоставлено: Caltech / MIT / LIGO Lab)
Луч 2 Вт выходит из NPRO (внизу слева) и проходит через серию зеркал и линз через стержни усилителя. Каждый стержень немного увеличивает мощность, пока не достигнет 35 Вт. (Фото: Caltech / MIT / LIGO Lab)
К тому времени, когда затравочный пучок прошел через все четыре стержня, его мощность увеличилась с 2 Вт до 35 Вт, при этом длина волны была 1064 нм. Путь, который проходит луч от NPRO через 4 стержня, показан на рисунке справа (щелкните изображение, чтобы увеличить его).
Заключительная стадия усиления мощности достигается в другом четырехстержневом устройстве, называемом генератором высокой мощности (HPO). В HPO используются еще четыре стержня усилителя, примерно того же размера, что и стержни MOPA, но изготовленные из другого материала. Когда луч проходит через эти стержни, как и в MOPA, он получает дополнительное усиление от лазерного света, направляемого через пучки волоконно-оптических кабелей, расположенных в виде цветка, и шириной всего 3 мм.
7 волоконно-оптических кабелей обеспечивают мощность 315 Вт для стержней в HPO, стимулируя их излучать больше света с длиной волны 1064 нм.
Каждое волокно несет 45 Вт мощности лазера, поэтому каждый пучок выдает 315 Вт (7 волокон по 45 Вт каждый) в каждый стержень, чтобы заполнить его и излучать все больше и больше лазерного света. К тому времени, когда луч выходит из HPO, он, наконец, достиг желаемой мощности 200 Вт. Сложность этого устройства показана на изображении внизу слева (щелкните изображение, чтобы увеличить его).
Частота и стабильность питания
Несмотря на чистоту и стабильность исходного пучка, он не обладает достаточной стабильностью для использования. Лазер LIGO должен быть в 100 миллионов раз более стабильным, чем он сам по себе. Чтобы достичь этого беспрецедентного уровня стабильности, вариации собственной частоты луча (то есть его неспособность непрерывно излучать один, отдельный цвет света) и флуктуации мощности механически уменьшаются примерно в 100 миллионов раз посредством ряда механизмов обратной связи до В интерферометре используется лазер. Весь этот процесс похож на настройку самого сложного пианино в мире.
Колебания мощности также уменьшаются за счет контуров управления с обратной связью, которые используют данные фотоприемника для определения колебаний мощности. Чтобы узнать больше о системах обратной связи и управления LIGO, посетите Системы обратной связи и управления ,
Лазер LIGO генерируется в его лазерной комнате многочисленными устройствами на столе.