Взаимодействие нового покрытия сверхточных зеркал обсерватории LIGO оказалось несовместимым с применяемой учеными лазерной системой. В связи с этим специалистам потребовалось внести изменения в схему стабилизации длины плеча (ALS), адаптировав ее к новым условиям.

Гравитационные волны впервые зарегистрировали по данным обсерватории LIGO в 2015 году. LIGOLIGO включает в себя две обсерватории, расположенные на расстоянии около 3000 километров друг от друга. Каждая из них оснащена лазерным интерферометром, который использует вакуумированные трубы длиной четыре километра, выполняющие роль плеч. Для регистрации гравитационных волн лазерный луч разделяется и пропускается по этим плечам, где он многократно отражается от высокоточных зеркал, после чего лучи вновь объединяются. Гравитационные волны вызывают смещение зеркал, и поскольку лазер проходит через систему множество раз, эти небольшие смещения суммируются. Разделенные лучи возвращаются в точку слияния не одновременно, что позволяет ученым анализировать разницу во времени их возвращения для определения гравитационных волнах.

С целью повышения чувствительности к гравитационным волнам ученые проводят модернизацию обсерваторий. В настоящее время зеркала LIGO весят около 40 килограмм, в A^# будут иметь массу приблизительно 100 килограммов. Они установлены в многоступенчатой системе виброизоляции, исключающей жесткое крепление. Тем не менее, для поддержания постоянной длины плеча системы необходимо точное позиционирование зеркал относительно друг друга.

С целью поддержания условий, необходимых для проведения эксперимента, исследователи разработали механизм стабилизации длины плеча ( arm-length stabilization, ALS). Новое покрытие зеркал на основе AlGaAs/GaAs, которое планируют использовать в A^#, уменьшает тепловой шум в системе, однако поглощает излучение с длиной волны 532 нанометра, соответствующее зеленому цвету. В настоящее время именно это излучение используется ALS. Использование нового покрытия для поглощения лазерного излучения делает дальнейшую модификацию бессмысленной.

Австралийские физики предложили схему ALS для разработки нового покрытия зеркал и успешно проверили его эффективность. Описанная работа опубликована в журнале Physical Review D.

Для проведения экспериментов применялся вспомогательный лазер, излучающий свет с длиной волны в 1596 нанометров и относящийся к ближнему инфракрасному диапазону. Важно отметить, что арсенидное покрытие не подвержено поглощению такого излучения. Энергия этого излучения преобразуется в третью гармонику, генерирующую зеленое свечение, а основной научный лазер с длиной волны 1064 нанометра – во вторую гармонику. Поддержание стабильной разности частот между лазерами с длинами волн 1596 и 1064 нанометров обеспечивает возможность плавного переключения управления от вспомогательного лазера к основному.

В ходе настольного эксперимента ученые подтвердили надежную работу созданной системы – лазерная установка функционирует, однако пока в уменьшенном масштабе, а не непосредственно в обсерваториях. Переход между основной и вспомогательной лазерными системами демонстрировался стабильно на протяжении различных экспериментов. Физики провели оценку уровня шума в системе при протяженности плеча 4 километра, зафиксировав его на уровне 10 пикометров – это значительно меньше полной ширины резонанса плеча A^#– приблизительно 1 нанометра. Таким образом, уровень шума оказался в сто раз ниже измеряемой величины.

Авторы исследования успешно показали работоспособность предложенной лазерной схемы ALSВ целях оптимизации, система была модифицирована с учетом арсенидного покрытия зеркал. В перспективе разработчики намерены улучшить коэффициент преобразования, третью гармоникуприменять фотодетекторы с пониженным уровнем шума и обеспечить более мягкую передачу команд между лазерными излучателями.