一年前，人們第一次直接探測到了引力波。來自普朗克引力物理研究所（艾伯特愛因斯坦研究所AEI），以及來自萊布尼茨大學(xué)漢諾威分校，以及來自漢諾威激光中心公司（LZH）的激光專家在這一發(fā)現(xiàn)中發(fā)揮了主要作用，因?yàn)樗麄兯褂玫拿绹募す飧缮嬉Σㄌ煳呐_(tái)中的核心儀器具有超精密激光技術(shù)能夠進(jìn)行弱引力波信號(hào)的檢測。

現(xiàn)在，愛因斯坦研究所的研究人員已經(jīng)提出了兩種新的技術(shù)，不僅能夠進(jìn)一步提高未來的引力波探測器的靈敏度。馬克斯普朗克學(xué)會(huì)現(xiàn)在也加強(qiáng)了第三代引力波探測器的激光系統(tǒng)的發(fā)展。愛因斯坦研究所與漢諾威激光中心進(jìn)行合作，在未來的五年計(jì)劃投入375萬歐元的研究經(jīng)費(fèi)，進(jìn)行新型激光器Zentrum的研制，漢諾威研究中心收到超過未來五年375萬歐元的研究經(jīng)費(fèi)，進(jìn)行新型激光器以及提高其穩(wěn)定方法的研究。

“我們已經(jīng)取得了重要突破，”Benno Willke教授說，他是愛因斯坦研究所激光發(fā)展組的組長。“我們的工作是進(jìn)一步研究干涉引力波探測器中所使用的另外一種新型的激光束。此外，我們已經(jīng)展示了如何提高功率穩(wěn)定，即在探測器中所使用的高功率激光器的穩(wěn)定性。這是未來天文學(xué)中引力波研究的重要步驟，”這一研究結(jié)果發(fā)表在著名的科學(xué)雜志《光學(xué)快報(bào)》上，并得到了編輯們的重視。

更加同質(zhì)化的激光束

目前使用的所有激光系統(tǒng)的引力波探測器的光束，其中心的強(qiáng)度比邊緣處的強(qiáng)度要高。這將導(dǎo)致一個(gè)不希望由于鏡面表面的波動(dòng)所引起的引力波探測器的測量精度問題。這種所謂的熱噪聲可以由一個(gè)更均勻的激光強(qiáng)度分布來改善。

在2013年，該研究小組演示了如何獲得更均勻的高功率激光光束，創(chuàng)造出所謂的LG33模式?，F(xiàn)在，Andreas Noack已完成了自己的碩士論文，Benno Willke的團(tuán)隊(duì)正在嘗試如何將這些激光束應(yīng)用到未來的引力波探測器中。

進(jìn)入探測器的第一步是一個(gè)被稱為預(yù)測模式清潔器的裝置，它優(yōu)化了光束輪廓并減少了光束抖動(dòng)。Willke的團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)新的LG33光束兼容了當(dāng)前所使用的預(yù)測清潔模式。研究人員還展示了如何解決這個(gè)問題。他們開發(fā)了一種新的預(yù)先清潔模式，這與LG33激光模式兼容。

“下一代引力波探測器的設(shè)計(jì)還未完成，”Willke說。“因此，我們正在測試不同類型的激光器，發(fā)現(xiàn)盡可能多的選項(xiàng)，盡可能實(shí)現(xiàn)新的引力波探測器。有了LG33激光束，我們現(xiàn)在進(jìn)步了一大步。”

提高激光發(fā)射功率的穩(wěn)定性用于新型引力波的探測

所有的干涉引力波探測器，像LIGO、VIRGO和GEO600等都是依靠激光系統(tǒng)，并需要保持他們的高輸出功率在一年內(nèi)穩(wěn)定，其功率在時(shí)間尺度上的波動(dòng)非常小。Benno Willke的研究小組在這一研究領(lǐng)域具有世界領(lǐng)先的地位。他們建立了激光系統(tǒng)GEO600和高級(jí)LIGO，沒有這種設(shè)備，2015九月份的首次直接探測引力波是不可能實(shí)現(xiàn)的。

現(xiàn)在，Jonas Junker在Willke的團(tuán)隊(duì)中的碩士研究中已經(jīng)進(jìn)一步完善了現(xiàn)有的電力穩(wěn)定系統(tǒng)。激光光束的一部分被去除，實(shí)現(xiàn)探測器的多個(gè)分布式，從而精確確定總功率。如果變化，主激光功率相應(yīng)地進(jìn)行校正。在他們的實(shí)驗(yàn)中，科學(xué)家們擴(kuò)展了當(dāng)前的系統(tǒng)，除此之外，另一個(gè)光電探測器還可以控制和校正激光束的指向。

在愛因斯坦研究所內(nèi)，改進(jìn)后的功率穩(wěn)定方案已成功應(yīng)用于35瓦的激光系統(tǒng)的10米原型干涉儀。該原型是由漢諾威的研究人員為第三代探測器的技術(shù)的示范和測試，并在這些儀器中進(jìn)行了量子力學(xué)效應(yīng)的研究。功率穩(wěn)定度達(dá)到五倍，高于其他組的可比實(shí)驗(yàn)。這個(gè)結(jié)果與獨(dú)立的桌面實(shí)驗(yàn)的結(jié)果吻合度非常好。

“在隔離外界環(huán)境之外的光學(xué)實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)與10米原型復(fù)雜的大型實(shí)驗(yàn)完全不同。我們第一次發(fā)現(xiàn)它是可以從一個(gè)桌面實(shí)驗(yàn)穩(wěn)定性優(yōu)良的水平進(jìn)行轉(zhuǎn)移出來的，”Willke說。“我們發(fā)現(xiàn)，這些光電二極管陣列像預(yù)期那樣工作，這意味著它也應(yīng)該能夠用于相同的多探測器陣列，應(yīng)用于先進(jìn)的LIGO，且達(dá)到這種高穩(wěn)定性。”