在激光干涉引力波探測器的干涉臂中,激光的功率非常高。這一設計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光學模與測試物質的聲學模之間的相互作用引起,它使得測試物質的振蕩呈指數型增長,最終可導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,人們通過理論計算、模擬以及實驗,提出且驗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、靜電驅動器以及聲學模阻尼器在內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的形狀,利用光學反饋來抑制探測器臂腔內的高階模強度,以及設計消除參量不穩(wěn)定性隱患的新一代探測器。 

【文章來源】：天文學進展. 2020,38(04)北大核心CSCD

【文章頁數】：16 頁

【部分圖文】：

Advanced LIGO靜電驅動裝置的模擬圖[21]

圖6所示的是Advanced LIGO的靜電驅動系統(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的一個聲學模(15.54 k Hz)散射出來的。拍頻信號先通過一個15.54 k Hz的帶通濾波器以及一個放大倍數可調的放大器，再經過移相器之后被傳輸到靜電驅動器上。通過該反饋驅動過程，Advanced LIGO把這個TEM03模所對應的參量增益從2.4降到了0.18[21]，施加在測試物質上的靜電力從測試物質振蕩最嚴重時的0.62 n N，降到了穩(wěn)態(tài)時的0.03 n N[21]。靜電驅動方法同樣會在臂腔內激光功率增大時遇到難以解決的困難。如隨著激光功率增大而新出現的不穩(wěn)定模式可能與靜電驅動力的分布僅有很小的空間重疊，因此，即使是一個很小參量增益，也需要非常大的驅動力來抑制。Miller等人[33]的模擬結果顯示，在30～90 k Hz頻段內出現的一些不穩(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，每一個不穩(wěn)定模式將會對應一個獨立的控制信號，這意味著隨著不穩(wěn)定模式的增加，反饋回路的設計也將變得異常復雜。

聲學模阻尼器的關鍵元件是一個壓電陶瓷，它把測試物質的應變能轉化為電能，最后通過電阻以熱能的形式耗散掉。這樣一個耗散系統(tǒng)，本質上是一個損耗很大的彈簧，聲學模阻尼器(AMD)可看作是該彈簧與連接在該彈簧上的小質量物體的組合。而在考慮被隔震系統(tǒng)懸掛起來的測試物質(TM)時，我們可以認為它是通過一個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量組成的系統(tǒng)構成了一個質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、質量很小且其共振頻與測試物質共振頻一致)，系統(tǒng)的品質因子便可減小到足以將參量增益降低到1以下。為了實現寬帶寬阻尼，Advanced LIGO的每一測試物質上都安裝了4個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，臂腔內會出現更多其他頻率的不穩(wěn)定模式(在15～80 k Hz頻段之外)，現有的不穩(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計新的阻尼器將是一項新的挑戰(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】：
期刊論文
[1]激光干涉儀引力波探測器[J]. 王運永,朱興江,劉見,馬宇波,朱宗宏,曹軍威,都志輝,王小鴿,錢進,殷聰,劉忠有,BLAIR D,JU Li,ZHAO Chun-nong.  天文學進展. 2014(03)



本文編號：3605486