Автореферат (1103861), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Ломоносова, семинаре по физике многофотонных процессов Института общейфизики РАН (Москва, 2015), VII семинаре памяти Д.Н. Клышко (Москва,2011), а также на международных конференциях “LSC-Virgo Meeting” (Krakow,Poland, 2010; Gainesville, USA, 2011), “20th International Conference on GeneralRelativity and Gravitation and 10th Amaldi Conference on Gravitational Waves”(Warsaw, Poland, 2013) и совещании “Gravitational Wave Detectors for the NextDecade Workshop” (Elba, Italy, 2013).ПубликацииПо теме диссертации опубликовано семь печатных работ [A1–A7].
Всеосновные результаты диссертации представлены в рецензируемых научныхжурналах [A1–A4].Личный вклад автораВсе представленные в диссертации результаты получены лично автором.Им были созданы компьютерные программы для моделирования процессовв лазерных детекторах и их оптимизации, выполнены все аналитические ичисленные расчеты. Постановка задач осуществлялась совместно с научнымруководителем. Подготовка к публикации полученных результатов проводилась совместно с соавторами.Структура и объем диссертацииДиссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и семи приложений. Общий объем диссертации составляет 149 страниц, в том числе 25 рисунков и 11 таблиц.
Список цитируемой литературывключает в себя 148 наименований.7Содержание работыВо Введении освещено общее современное состояние исследуемой области и обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулирована цель и аргументирована научная новизна исследований, показана практическая значимость полученных результатов, представлены выносимые назащиту научные положения, охарактеризован личный вклад автора, приведены сведения об апробации работы и публикаций по теме диссертации.В первой главе последовательно описываются основные принципы изакономерности квантовых измерений, вводятся двухфотонный формализм,матричная запись преобразования квадратур оптического излучения и спектральной плотности квантовых флуктуаций, рассматриваются базовые оптомеханические системы.
Глава носит обзорный характер.Во второй главе, основные результаты которой опубликованы в работе [A1], анализируется чувствительность прецизионных оптомеханическихизмерителей с учетом взаимосвязи квантовых флуктуаций и техническогошума. Традиционно эти два класса шумов изучаются раздельно, однако внастоящей диссертации предлагается проводить совместную минимизациюквантового шума и броуновского шума отражающих покрытий диэлектрических зеркал, которые играют роль пробных тел.Детальное изучение вопроса показало, что спектральные плотности квантового шума и теплового шума покрытий связаны через отражающие способности пробных тел.
Спектральная плотность броуновского шума прямопропорциональна числу отражающих слоев [9], тогда как квантовый шумрастет с уменьшением их количества — увеличиваются оптические потеричерез концевые зеркала плеч, что, согласно флуктуационно-диссипационнойтеореме (ФДТ) [10], ведет к усилению дополнительного квантового шума, никак некоррелированного с уже имеющимися в системе квантовыми неопределенностями. Таким образом, оптимальный выбор коэффициентов отражения8√Seh â åäèíèöàõ ìåòðèêè [1/ ö℄ÑÊÏÒåõíè÷åñêèé "äî"Òåõíè÷åñêèé "ïîñëå"Êâàíòîâûé "äî"Êâàíòîâûé "ïîñëå"10−221.4G rel1.21.00.810−2360NITM202010−24p40NETM1030101102103×àñòîòà Ω/(2π) [ö℄Рис.
1. Типичная зависимость наилучшего Рис. 2. Спектральные плотности различныхотношения сигнал-шум для различных пар шумов в схеме с инжекцией сжатого состо(ITM , ETM ).яния. Оптимизация для burst.зеркал способен ослаблять суммарный шум, а не его компоненты по отдельности.В настоящей работе проведена численная оптимизация детекторов четырех конфигураций: простого интерферометра Майкельсона/Фабри–Перос зеркалами рециркуляции мощности и сигнала, детектора с частотно-независимой инжекцией сжатых состояний света, детектора с предварительнойвходной фильтрацией и детектора с выходной фазовой фильтрацией квантовых состояний [11–13].
Анализ детекторов проводился с учетом шумов потерьв плечах интерферометра и фильтрующих резонаторах, а также неидеальности работы фотодетектора. Критерием оптимальной настройки детекторавыступает максимизация отношения сигнал-шум, где в качестве возможныхисточников гравитационно-волнового сигнала рассматриваются два типа астрофизических систем, обладающих различными спектрами сигнала: двойныенейтронные звезды (BNS) и широкополосный источник взрывного характера(burst).Результат оптимизации, характерный для всех рассматриваемых схемдетектора и обоих предполагаемых источников сигнала, приведен на Рис. 1.Здесь rel = 2 /2def — относительный прирост чувствительности, где 2 —9отношение сигнал-шум при оптимальном уменьшении числа слоев, а 2def —та же характеристика для оптимально настроенного детектора с числом отражающих слоев “по умолчанию” (как это выбрано для Advanced LIGO).
ЧерезITM обозначено число отражающих слоев на входном (ITM) зеркале плеча интерферометра, а ETM — число слоев концевого (ETM) зеркала. Хорошо видно, что для каждого значения ITM находится оптимальное значениеETM , которое примерно в два раза меньше запланированного. Следовательно, уменьшение числа отражающих слоев, ослабляющее броуновский шумпокрытий, действительно позволяет увеличить чувствительность детектора,несмотря на сопутствующий рост квантового шума.Что касается входных зеркал плеч, то при условии фиксированной оптической мощности ℐarm , циркулирующей в каждом плече, наиболее оптимальным оказывается полное устранение ITM.
Однако конфигурация простогоинтерферометра Майкельсона будет означать слишком высокие требованияк мощности лазера накачки. Введение минимально отражающих входныхзеркал будет сопровождаться возникновением различных нежелательных эффектов, связанных, в частности, с поглощением оптического излучения и соответствующим нагревом оптических элементов — в первую очередь, речьидет о термолинзировании [14]. Поэтому предлагаемая нами оптимальнаяконфигурация детектора, которой на Рис.
1 соответствует крупная точка,удовлетворяет дополнительному ограничению по тепловому выделению.На Рис. 2 представлены графики спектральных плотностей квантовогои технического шумов детекторов с частотно-независимой инжекцией сжатых состояний “до” и “после” оптимального уменьшения числа отражающихслоев. Как и для остальных рассматриваемых конфигураций, характернойчертой является пренебрежимо малое изменение кривой квантового шума нафоне равномерного широкополосного ослабления флуктуаций техническогопроисхождения. Такое поведение объясняется перенастройкой параметров рециркуляции и сжатия, которая компенсирует увеличение пропускания вход10ных зеркал в плечах интерферометра.Предлагаемый метод обеспечивает рост отношения сигнал-шум на 20-30%,что соответствует увеличению частоты обнаружения событий от ожидаемыхастрофизических источников на 30-50%.
При этом не предполагается радикального изменения общей конфигурации детектора. Кроме того показано,что положительный эффект будет тем заметнее, чем меньше циркулирующая в интерферометре оптическая мощность. Это создает предпосылки дляприменения разработанного подхода и в других задачах прецизионных измерений, не относящихся к поиску гравитационных волн.В третьей главе исследуется возможность увеличения чувствительности оптических детекторов гравитационных волн путем создания многолучевой конфигурации интерферометра Майкельсона/Фабри–Перо. Результатытретьей главы опубликованы в работах [A2, A3].В первом разделе проведена полная оптимизация детектора с двумянезависимыми накачками с учетом влияния ряда оптических потерь [15].
Эффектотрицательной оптической инерции[16], возникающий в области низких частот, где суммарная по двум лучам оптическая жесткость dual (Ω) ≈opt Ω2 [17], позволяет модифицировать восприимчивость механической моды[︀]︀−1(Ω) = −Ω2 + dual (Ω)таким образом, что ее инерционная масса эффективно уменьшается. Здесь коэффициент opt определяется параметрамисистемы. Так как СКП измерения силы имеет вид:⃒ −1⃒2⃒⃒,SQL;(Ω)=2~(Ω)sysгде Ω — частота сигнала, то отрицательные значения opt снижают этот предел: гравитационная масса и приливные силы, действующие на пробные тела,остаются прежними, а сигнальное смещение механической моды увеличивается.Оптимизационная процедура осуществлялась исходя из критерия максимизации отношения сигнал-шум для источников типа BNS и burst, а также11√Seh â åäèíèöàõ ìåòðèêè [1/ ö℄10−2210310−23p10210−24pÑâîáîäíàÿ ìàññà1 ëó÷2 ëó÷à|χ|−1 /m/(2π) [ö℄ÑÊÏÒåõíè÷åñêèé1 ëó÷2 ëó÷à101101101102103×àñòîòà Ω/(2π) [ö℄102103×àñòîòà Ω/(2π) [ö℄Рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
