УДК: 681.787

Обнаружение гравитационных волн. Вклад ИПФ РАН

Полный текст на elibrary.ru

Публикация в Journal of Optical Technology

Ссылка для цитирования:

Хазанов Е.А., Сергеев А.М. Обнаружение гравитационных волн. Вклад ИПФ РАН // Оптический журнал. 2017. Т. 84. № 10. С. 75–84.

Khazanov E.A., Sergeev A.M. The detection of gravitational waves: the contribution of the Applied Physics Institute, Russian Academy of Sciences [in Russian] // Opticheskii Zhurnal. 2017. V. 84. № 10. P. 75–84.

Ссылка на англоязычную версию:

E. A. Khazanov and A. M. Sergeev, "The detection of gravitational waves: the contribution of the Applied Physics Institute, Russian Academy of Sciences," Journal of Optical Technology. 84(10), 710-717 (2017). https://doi.org/10.1364/JOT.84.000710

Аннотация:

14 сентября 2015 года коллаборацией LIGO был зарегистрирован сигнал гравитационной волны, пришедший от слияния двух чёрных дыр, произошедшего 1,3 миллиарда лет назад. В основе детектора LIGO лежит интерферометр Майкельсона с длиной плеча 4 км. Достигнутая чувствительность позволяет обнаружить изменение длины плеч меньше, чем на 10–19 метра. Мы обсуждаем физические проблемы, которые были решены для достижения этой беспрецедентной чувствительности. Наиболее существенным вкладом ИПФ РАН в детектор LIGO является изобретение уникальных изоляторов Фарадея, работающих при большой мощности лазерного излучения. Поглощение излучения в магнитоактивной среде неизбежно приводит к её нагреву и термонаведённым поляризационным и фазовым искажениям лазерного пучка. В статье приведён анализ всех искажений лазерного пучка с точки зрения ухудшения параметров изолятора. Определены механизмы и ключевые физические величины, отвечающие за различные виды искажений. Подробно описаны существующие методы компенсации и подавления паразитных тепловых эффектов.

Ключевые слова:

прецизионные интерферометрические измерения, изолятор Фарадея, фотоупругий эффект

Благодарность:

Работа выполнена в рамках государственного задания ИПФ РАН, проект №0035-2014-0016.

Коды OCIS: 120.3180, 140.6810

Список источников:

1. Abramovici A., Althouse W.E., Drever R.W.P., Gursel Y., Kawamura S., Raab F.J., Shoemaker D., Sievers L., Spero R.E., Thorne K.S., Vogt R.E., Weiss R., Whitcomb S.E., Zucker M.E. LIGO — the Laser-Interferometer-Gravitational-Wave Observatory // Science. 1992. V. 256. P. 325–333.
2. Abbott B.P., al. e. Observation of gravitational waves from a binary black hole merger // Physical Review Letters. 2016. V. 116. P. 061102. https://journals.aps.org/prl/pdf/10.1103/PhysRevLett.116.061102
3. Герценштейн М.Е., Пустовойт В.И. К вопросу об обнаружении гравитационных волн малых частот // ЖЭТФ. 1962. V. 16. С. 433.
4. Maiman T. Stimulated optical radiation in ruby // Nature. 1960. V. 187. P. 493.
5. Ананьев Ю.А., Козлов Н.А., Мак А.А., Степанов А.И. Термическая деформация резонатора твердотельного ОКГ // Журнал прикладной спектроскопии. 1966. Т. 5. № 1. С. 51–55.
6. Мезенов А.В., Сомс Л.Н., Степанов А.И. Термооптика твердотельных лазеров // Ленинград: Машиностроение, 1986. 199 с.
7. Scott W.C., de Wit M. Birefringence compensation and TEM00 mode enhancement in a Nd:YAG laser // Applied Physics Letters. 1971. V. 18. № 1. P. 3–4.
8. Giuliani G., Ristori P. Polarization flip cavities: a new approach to laser resonators // Optics Communications. 1980. V. 35. № 1. P. 109–112.
9. Rayleigh L. On the constant of magnetic rotation of light in bisulphide of carbon // Philos. T. R. Soc. Lond. 1885. V. 176. P. 343–366.
10. Faraday M. Experimental researches in electricity. Nineteenth Series // Philos. T. R. Soc. Lond. 1846. V. 136. P. 1–20.
11. Андреев Н.Ф., Палашов О.В., Пасманик Г.А., Хазанов Е.А. Четырехканальный импульсно-периодический YAG:Nd-лазер с дифракционным качеством выходного излучения // Квантовая электроника. 1997. Т. 24. № 7. С. 581–585.
12. Andreev N., Khazanov E., Kulagin O., Movshevich B., Palashov O., Pasmanik G., Rodchenkov V., Scott A., Soan P. A twochannel repetitively pulsed Nd:YAG laser operating at 25 Hz with diffraction-limited beam quality // IEEE Journal of Quantum Electronics. 1999. V. 35. № 1. P. 110–114.
13. Khazanov E.A., Kulagin O.V., Yoshida S., Reitze D. Investigation of self-Induced distortions of laser radiation in lithium niobate and terbium gallium garnet // Proc. of Conference on Lasers and Electro-Optics. San Francisco, CA. 1998. 3–8 May. P. 250–251.
14. Хазанов Е.А. Компенсация термонаведенных поляризационных искажений в вентилях Фарадея // Квантовая электроника. 1999.Т. 26. № 1. С. 59–64.

15. Khazanov E.A., Kulagin O.V., Yoshida S., Tanner D., Reitze D. Investigation of self-induced depolarization of laser radiation in terbium gallium garnet // IEEE Journal of Quantum Electronics. 1999. V. 35. № 8. P. 1116–1122.
16. Khazanov E., Andreev N., Babin A., Kiselev A., Palashov O., Reitze D. Suppression of self-induced depolarization of highpower laser radiation in glass-based Faraday isolators // Journal of the Optical Society of America B. 2000. V. 17. № 1. P. 99–102.
17. Андреев Н.Ф., Бабин А.А., Зарубина Т.В., Киселев А.М., Палашов О.В., Хазанов Е.А., Щавелев О.С. Исследование термооптических постоянных магнитоактивних стекол // Оптический журнал. 2000. V. 67. № 6. С. 66–69.
18. Хазанов Е.А. Особенности работы различных схем изолятора Фарадея при высокой средней мощности лазерного излучения // Квантовая электроника. 2000. Т. 30. № 2. С. 147–151.
19. Андреев Н.Ф., Палашов О.В., Потемкин А.К., Райтци Д.Х., Сергеев А.М., Хазанов Е.А. Изолятор Фарадея с развязкой 45 дБ при средней мощности излучения 100 Вт // Квантовая электроника. 2000. Т. 30. № 12. С. 1107–1108.
20. Хазанов Е.А. Новый вращатель Фарадея для лазеров с большой средней мощностью // Квантовая электроника. 2001. Т. 31. № 4. С. 351–356.
21. Khazanov E., Andreev N., Palashov O., Poteomkin A., Sergeev A., Mehl O., Reitze D. Effect of terbium gallium garnet crystal orientation on the isolation ratio of a Faraday isolator at high average power // Applied Optics. 2002. V. 41. № 3. P. 483–492.
22. Mueller G., Amin R.S., Guagliardo D., McFeron D., Lundock R., Reitze D.H., Tanner D.B. Method for compensation of thermally induced modal distortions in the input optical components of gravitational wave interferometers // Classical and Quantum Gravity. 2002. V. 19. P. 1793–1801.
23. Khazanov E.A., Anastasiyev A.A., Andreev N.F., Voytovich A., Palashov O.V. Compensation of birefringence in active elements with a novel Faraday mirror operating at high average power // Applied Optics. 2002. V. 41. № 15. P. 2947–2954.
24. Андреев Н.Ф., Катин Е.В., Палашов О.В., Потемкин А.К., Райтци Д.Х., Сергеев А.М., Хазанов Е.А. Использование кристаллического кварца для компенсации термонаведенной деполяризации в изоляторах Фарадея // Квантовая электроника. 2002. Т. 32. № 1. С. 91–94.
25. Хазанов E.A. Термооптика магнитоактивной среды: изоляторы Фарадея для лазеров с высокой средней мощностью // УФН. 2016. Т. 186. № 9. С. 975–1000.
26. Железнов Д.С., Зеленогорский В.В., Катин Е.В., Мухин И.Б., Палашов О.В., Хазанов Е.А. Криогенный изолятор Фарадея // Квантовая электроника. 2010. Т. 40. № 3. С. 276–281.
27. Snetkov I.L., Yasuhara R., Starobor A.V., Mironov E.A., Palashov O.V. Thermo-optical and magneto-optical characteristics of terbium scandium aluminum garnet crystals // Ieee Journal of Quantum Electronics. 2015. V. 51. № 7. P. 7000307.
28. VIRGO-Collaboration. In-vacuum optical isolation changes by heating in a Faraday isolator // Applied Optics. 2008. V. 47. № 31. P. 5853–5861.
29. Palashov O.V., Zheleznov D.S., Voitovich A.V., Zelenogorsky V.V., Kamenetsky E.E., Khazanov E.A., Martin R.M., Dooley K.L., Williams L., Lucianetti A., Quetschke V., Mueller G., Reitze D.H., Tanner D.B., Genin E., Canuel B., Marque J. High-vacuum-compatible high-power Faraday isolators for gravitational-wave interferometers // Journal of the Optical Society of America B. 2012. V. 29. № 7. P. 1784–1792.
30. Katherin L.D., Arain M.A., Feldbaum D., Frolov V.V., Heintze M., Hoak D., Khazanov E.A., Lucianetti A., Martin R.M., Mueller G., Palashov O., Quetschke V., Reitze D.H., Savage R.L., Tanner D.B., Williams L.F., Wu W. Thermal effects in the input optics of the enhanced laser interferometer gravitational-wave observatory interferometers // Review of Scientific Instruments. 2012. V. 83. P. 033109.
31. Snetkov I.L., Mukhin I.B., Palashov O.V., Khazanov E.A. Compensation of thermally induced depolarization in Faraday isolators for high average power lasers // Optics Express. 2011. V. 19. № 7. P. 6366–6376.
32. Snetkov I.L., Voitovich A.V., Palashov O.V., Khazanov E.A. Review of Faraday isolators for kilowatt average power lasers // Ieee Journal of Quantum Electronics. 2014. V. 50. № 6. P. 434–443.
33. Zelenogorsky V., Palashov O., Khazanov E. Adaptive compensation of thermally induced phase aberrations in Faraday isolators by means of a DKDP crystal // Optics Communications. 2007. V. 278. № 1. P. 8–13.