Автореферат (Многопараметрическая оптимизация лазерных интерферометрических детекторов гравитационных волн)

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТимени М.В. ЛОМОНОСОВАФИЗИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТНа правах рукописиВорончев Никита ВикторовичМногопараметрическая оптимизациялазерных интерферометрических детекторовгравитационных волн01.04.01 – Приборы и методы экспериментальной физикиАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукМосква – 2015Работа выполнена на кафедре физики колебаний физического факультетаМосковского государственного университета имени М. В. Ломоносова.Научный руководитель:Халили Фарит Явдатовичдоктор физико-математических наук,,профессор кафедра физики колебанийфизического факультетаМГУ им. М. В. ЛомоносоваОфициальные оппоненты:.Манукин Анатолий Борисович,доктор физико-математических наук,,профессор Институт физикиЗемли им.

О. Ю. Шмидта РАН;Камалов Тимур Фянович,кандидат физико-математических наук,доцент кафедра физикиМосковского государственногомашиностроительного университетаВедущая организация:.Институт общей физики им. А. М. Прохоро­.ва РАНЗащита состоится « 4 »июня2015 г. в 16 часов 30 минут назаседании диссертационного совета Д 501.001.66 при МГУ им.

М. В. Ломоно­сова по адресу: 119991, Москва, ГСП-1, Ленинские горы, МГУ, д. 1, стр. 2,Физический факультет, в аудитории СФА .С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГУ им. М. В. Ломоносоваи на сайте http://phys.msu.ru/rus/research/disser/sovet-D501-001-66.Автореферат разослан « 2 »апреля2015 г.Ученый секретарьдиссертационного совета Д 501.001.66,к.ф.-м.н.Карташов И. Н.Общая характеристика работыАктуальность темы исследованияОбнаружение гравитационных волн, существование которых следует изобщей теории относительности (ОТО), является важной задачей современнойфизики. Основной проблемой в ее решении является чрезвычайная слабостьгравитационно-волнового процесса — для его регистрации необходимы при­боры, способные измерять относительные изменения расстояний между проб­ными телами / ∼ 10−22 .

. . 10−24 [1–3]. Ведущиеся в этой области работыпо развитию методов квантовых прецизионных измерений, могут позволитьне только экспериментально проверить важнейшие предсказания ОТО, нои в перспективе создать принципиально новые подходы к астрономическимнаблюдениям.Первые эксперименты по поиску гравитационных волн основывалисьна резонансном возбуждении звуковых колебаний в крупных сплошных ме­таллических телах [4]. Подобные приборы, обладающие современными меха­низмами подавления внешних и собственных шумов, а также более тонки­ми системами считывания акустического сигнала, существуют и в наши дни(MiniGRAIL, EXPLORER, NAUTILUS, ALLEGRO).

Их рабочая полоса, рас­положенная в области частот ∼ 1 кГц, имеет ширину порядка 20 . . . 30 Гц. Вто же время, наиболее вероятными источниками гравитационных волн счи­таются астрофизические объекты, излучающие либо на низких частотах (де­сятки герц), либо в широкой полосе частот от десятков герц до несколькихкилогерц.В настоящее время наиболее перспективным подходом к регистрациигравитационных волн считаются интерферометрические методы измеренияотносительного смещения отражающих пробных тел. Такие приборы позво­ляют более гибко настраивать свои рабочие характеристики и осуществлятьширокополосный поиск сигнала.

Современные лазерные детекторы гравита­3ционных волн первого поколения (LIGO, Virgo, GEO600 и TAMA) уже вплот­ную приблизились к стандартному квантовому пределу (СКП) чувствитель­ности — фундаментальному по своей природе, но преодолимому ограничениюточности измерения механической координаты [5].Своим происхождением СКП обязан существованию принципиально неу­странимых квантовых флуктуаций. Для любого измерителя полныйвый шумкванто­состоит из непосредственной ошибки измерения — измерительногошума— и случайного обратного влияния прибора на наблюдаемую систе­му —шума обратного флуктуационного влияния.

Для случая оптическо­го детектора измерительный шум обуславливается квантовой неопределен­ностью фазы отраженного света, в которой сосредоточен полезный сигнал.Шум обратного влияния определяется квантовыми флуктуациями интенсив­ности света, которые вызывают случайные изменения силы давления светана пробные тела.

Но поскольку две компоненты общего шума связаны прин­ципом неопределенности Гейзенберга, то простое уменьшение одной из нихбудет неизбежно сопровождаться увеличением другой. Стандартному кван­товому пределу соответствует минимум их суммы.Важная роль СКП для гравитационно-волновых детекторов объясня­ется тем, что сигнальные смещения пробных тел сравнимы по амплитудес маскирующими их квантовыми флуктуациями.

В интерферометрическихдетекторах первого поколения доминировал измерительный шум. Однако встроящихся или уже вводящихся в эксплуатацию приборах второго поколе­ния (Advanced LIGO, Advanced Virgo, GEO-HF и LCGT) планируется стократ­но увеличить циркулирующую оптическую мощность. Это на один порядоквеличины снизит дробовой измерительный шум, пропорционально увеличившум обратного влияния. Для подавления последнего в детекторах будущихпоколений предлагается использовать дополнительныенаторыфильтрующие резо­[6], а также измерять скорость пробных тел вместо их смещения [7].Такое измерение может быть осуществлено, в частности, в интерферометре4Саньяка [8].Также, при анализе чувствительности гравитационных детекторов необ­ходимо учитывать, что регистрация полезного сигнала осложняется различ­ными классическими шумами: тепловыми шумами покрытий и подвесов проб­ных тел, флуктуациями гравитационных градиентов, сейсмическими и тех­ногенными воздействиями и т.

д. В современных детекторах классическиефлуктуации оказывают значительный вклад в полный шумовой фон, и разра­ботка эффективных методов их подавления представляет большой научныйи практический интерес. В детекторах будущих поколений планируется до­стигнуть столь низкого уровня технического шума, что их чувствительностьв первую очередь будет определяться уже квантовым шумом. В настоящеевремя для увеличения чувствительности детекторов важна как оптимизацияпараметров приборов второго поколения, так и концептуальные предложенияпо только планируемым будущим схемам.Цели и задачи диссертационной работыЦелью настоящей работы является исследование чувствительности раз­личных схем лазерных интерферометрических гравитационно-волновых де­текторов и, путем проведения многопараметрической оптимизации, нахожде­ние способов ее увеличения за счет применения новых режимов работы.

Косновным задачам диссертации следует отнести:— определение оптимальных параметров детектора при совместном уче­те квантового и технического шумов;— исследование и оптимизация квантовых шумов многолучевых конфи­гураций детектора Майкельсона, в которых оптическая накачка интерферо­метра осуществляется несколькими независимыми источниками света;— исследование перспективности интерферометра Саньяка перед тра­диционным интерферометром Майкельсона на основе сравнения оптимальнонастроенных детекторов обеих топологий.5Научная новизнаВ диссертации предложены новые методы повышения чувствительностилазерных гравитационно-волновых детекторов как второго, так и последую­щих поколений.

Разработан программный пакет для численной многопара­метрической оптимизации этих приборов.В отличии от традиционного подхода к оптимизации детекторов, когдаосуществляется раздельная минимизация квантовых и технических флукту­аций, в настоящей работе впервые предложен и проведен совместный анализэтих шумов, что дало возможность найти компромиссную настройку систем,обеспечивающую повышение итоговой чувствительности.Полученные выражения для квантовых неопределенностей света в де­текторе Майкельсона позволили впервые провести полную численную опти­мизацию двух- и четырех-лучевой схемы в различной конфигурации с учетомоптических потерь. Для широкополосного увеличения чувствительности де­текторов предложен принципиально новый режим попарно антисимметрич­ных лучей.Впервые осуществлен расчет квантовых шумов детектора Саньяка с ре­циркуляцией сигнала и инжекцией сжатых квантовых состояний при учетешумов оптических потерь и неидеальности поляризационного делителя пуч­ка.

Выполненная по полученным выражениям численная оптимизация такогодетектора продемонстрировала существенно более слабые, в сравнении со схе­мой Майкельсона, требования к качеству фильтрующего резонатора. Болеетого, уровень квантовых шумов детектора Саньяка оказался сравнимым ссоответствующей характеристикой ксилофонной конфигурации двух детек­торов Майкельсона.Практическая значимостьПолученные в диссертации результаты предполагается использовать дляоптимизации работы гравитационно-волновых детекторов второго поколения,6а также при проектировании детекторов будущих поколений и иных схем пре­цизионных измерений на основе лазерных интерферометров.Апробация работыОсновные результаты диссертации докладывались на научных семина­рах кафедры физики колебаний физического факультета МГУ им. М.В.