Hace casi un año hoy, la Colaboración LIGO anunció la detección de ondas gravitacionales, confirmando una vez más la teoría de la relatividad general de Einstein. Este importante descubrimiento realizado por el Observatorio avanzado de ondas gravitacionales con interferómetro láser aLIGO ha despertado un gran interés en mejorar estas ondas avanzadas.detectores ópticos. La misión de los científicos de ondas gravitacionales en todo el mundo es hacer que la detección de ondas gravitacionales sea una rutina. Los científicos del instituto que desarrolló los láseres utilizados en Advanced LIGO han hecho un progreso significativo para apoyar ese objetivo.
Advanced LIGO es un dispositivo óptico de 2.5 millas de largo conocido como interferómetro que usa luz láser para detectar ondas gravitacionales provenientes de eventos cósmicos distantes, como colisiones de agujeros negros o colapso de estrellas. Mejora la estabilidad de la fuente láser y disminuye el ruido que puedeocultar señales débiles provenientes de ondas gravitacionales podría ayudar a mejorar la sensibilidad de los detectores de ondas gravitacionales.
"Hemos hecho un progreso significativo hacia fuentes láser estables para detectores de ondas gravitacionales de tercera generación y prototipos de esos", dijo Benno Willke del Instituto Max Planck de Física Gravitacional Instituto Albert Einstein y Leibniz Universität Hannover, líder de la investigaciónequipo ". Los láseres más estables permiten a los interferómetros detectar ondas gravitacionales que son más débiles y de fuentes más alejadas y, por lo tanto, revelan información importante sobre eventos astrofísicos que involucran agujeros negros y estrellas de neutrones".
El nuevo trabajo ha sido reportado en dos nuevos artículos en la revista The Optical Society OSA Cartas ópticas .
Desarrollando un láser más estable
Lograr una potencia láser estable y constante, con un ruido mínimo, es crucial para el funcionamiento de instrumentos sensibles basados en láser, como los detectores de ondas gravitacionales. El sistema Advanced LIGO utiliza una matriz de fotodetectores compuesta por fotodiodos, que convierten la luz en corriente eléctrica, paradetecte cualquier fluctuación de potencia en el láser y luego corrija estas fluctuaciones inductoras de ruido mediante un bucle de retroalimentación. Se utiliza una matriz de fotofotodetectores separada e idéntica para garantizar que el ruido se reduzca al nivel deseado.
"Aunque los fotodiodos se usan típicamente para detectar el ruido de la potencia del láser, solo pueden aceptar alrededor de 50 milivatios de potencia de luz cada uno, en lugar de los 200 milivatios que necesita un detector de ondas gravitacionales para mediciones de ruido sensibles", dijo Willke. Los investigadores del Instituto Albert Einstein superaroneste problema al dividir el haz de luz entre cuatro fotodiodos para que, en conjunto, la matriz de fotodiodos pueda aceptar la cantidad óptima de luz y proporcionar una detección de ruido más sensible.
Para probar el rendimiento de las nuevas matrices de múltiples fotodetectores, los investigadores colocaron matrices idénticas a las utilizadas en Advanced LIGO en el interferómetro prototipo AEI de 10 metros, un instrumento de prueba utilizado para evaluar posibles actualizaciones del detector de ondas gravitacionales.
Con las matrices de fotodetectores en el prototipo de interferómetro de 10 metros, los investigadores demostraron una estabilidad de potencia del láser que era un factor de cinco mejor que la que habían logrado otros grupos. La estabilidad coincidía estrechamente con lo que lograron previamente en un laboratorio de sobremesaexperimentar.
"Este trabajo muestra que es posible transferir el nivel de estabilidad del entorno bien aislado de una mesa óptica a una configuración experimental complicada como este prototipo de 10 metros", dijo Willke. "Mostramos que estas matrices de fotodiodos funcionan como se esperaba,lo que significa que también debería ser posible lograr esta alta estabilidad con las matrices de múltiples fotodetectores idénticas utilizadas en Advanced LIGO ".
conformación del rayo láser para reducir el ruido
El grupo de investigación de Willke también demostró que con algunas modificaciones menores, los detectores de ondas gravitacionales podrían hacerse más sensibles mediante el uso de un láser en lo que se denomina modo Laguerre-Gauss.
Advanced LIGO usa láseres en el modo gaussiano estándar, que produce un haz circular sólido como un puntero láser. Los láseres en modo Laguerre-Gauss producen un haz que parece una diana. Los investigadores han propuesto usar láseres en modo Laguerre-Gauss en conceptos de diseño paraun detector de ondas gravitacionales de tercera generación, conocido como el Telescopio Einstein, que se espera que sea 10 veces más sensible que los instrumentos actuales.
"El diseño de los detectores de ondas gravitacionales de próxima generación no es fijo", dijo Willke. "Por lo tanto, estamos probando diferentes tipos de láser y demostrando si tales láseres son opciones disponibles para nuevos detectores de ondas gravitacionales".
Los investigadores descubrieron que los láseres Laguerre-Gauss no son compatibles con dispositivos conocidos como "limpiadores de modo previo" que Advanced LIGO usa para mejorar la estabilidad del rayo láser. Andreas Noack, primer autor del artículo, descubrió que los espejos utilizadosen el modo, los limpiadores causan un error de refracción llamado astigmatismo.
Utilizando un truco geométrico para compensar este error, los investigadores construyeron un limpiador premodo modificado y demostraron que compensaba el astigmatismo y transmitían el modo Laguerre-Gauss incluso al alto nivel de potencia del láser utilizado por los detectores de ondas gravitacionales.
"Este nuevo tipo de limpiador de modo previo hará posibles diseños como el telescopio Einstein", dijo Willke. "Solo podemos construir este tipo de detectores de ondas gravitacionales de tercera generación si podemos construir una fuente láser que pueda usarse conesos diseños. Mostramos aquí un paso adicional en el estudio de viabilidad para una fuente de luz que podría usarse en futuros detectores de ondas gravitacionales ".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por La sociedad óptica . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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