KAGRA 新型引力波望远镜采用低噪声的Mephisto

挑战

位于日本神冈的大型低温引力波望远镜（KAGRA）是最新的引力波天文台，于 2020 年投入使用。与 LIGO 和 Virgo 一样，KAGRA也是基于激光器的迈克尔逊干涉仪。 当引力波穿过该观测点时，会导致两个干涉臂的长度发生微小变化。KAGRA的干涉臂长3公里，而一次强引力波可能仅引起小于质子直径千分之一的长度变化，^{即10⁻¹⁹米}。因此，要探测到这些引力波，信噪比是一个巨大的挑战。

解决方案

KAGRA 是首台位于地下的大型引力波望远镜，这种设计能够降低地面振动和重力梯度带来的噪声影响。它也是首个在低温（20 K）下运行以抑制热噪声的设备。这决定了这些镜片必须使用蓝宝石，因为蓝宝石在这种低温条件下具有高导热性，并且对 1064 nm 激光波长具有高透光率。

高意 Mephisto之所以被用作激光振荡器，其原因与 LIGO 和 Virgo 采用该激光器的原因相同：它是迄今为止激光行业公认的低噪声激光器，无论是在振幅还是频率方面均是如此。 这是因为它基于非平面环形振荡器（NPRO）技术，其中单晶体构成了整个激光腔，提供了固有的稳定性，而这种性能通过使用专门设计的电子器件得到了进一步提升。Mephisto 1064 nm 输出通过固态放大器放大至 60 瓦的功率，且相位和幅度噪声得到了进一步抑制。 这使得干涉仪臂中的循环功率水平达到约 0.4 兆瓦。

KAGRA 由东京工业大学负责运营，并配合 LIGO 和 Virgo共同提供更高精度的数据和方位信息。

成效

一旦 KAGRA 达到其设计灵敏度，它将记录到许多引力波事件。工程师和科学家们已经在研究如何进一步提升这些干涉仪的性能——尽管它们的性能原本就已令人难以置信！这项工作的一部分是在隶属于 KAGRA 的东京工业大学实验室中进行的。 在这里，Kentaro Somiya 教授及其同事正在研究降噪技术。Somiya 解释道：“随着 KAGRA 的热噪声降低，在不久的将来，数据质量将主要受限于激光系统中的量子噪声。所谓的量子噪声，是指在量子物理学的极限范围内，激光振幅和相位的不确定性。 我们正在开发几种新方法来减少这种量子噪声。如果没有Mephisto 工作将无法完成。”他们的目标是在 KAGRA+ 及其他新一代引力波望远镜中应用这些技术。 Somiya教授的计划是先在德国的600米引力波探测器GEO-HF中应用其尖端技术，从而提高该设备在千赫兹（kHz）频段的灵敏度，以便观测到中子星并合引发的时空涟漪的清晰迹象。

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