Mephisto

噪声低且设备间一致性高

经过同行评审以及其他独立第三方对Mephisto 性能评估和相关寿命测试，均证实了这些激光器的卓越性能、可靠性以及极高的设备间一致性。

简介

就低输出噪声和超窄线宽的要求而言，很少有人会认为基于长路径干涉测量的引力波探测 (GWD) 目前代表了窄线宽连续激光器要求最严苛的应用，甚至比原子冷却还要高。激光干涉引力波天文台(LIGO) 已多次成功探测到引力波。该天文台在美国的两个地点运行，一处位于路易斯安那州利文斯顿，另一处位于华盛顿州汉福德。此外，意大利的VIRGO引力波探测器也成功探测到了引力波。为了将LIGO与早期配置区分开来，它通常被称为高级LIGO。在本白皮书中，我们研究了该应用的噪声要求，并Mephisto 应用方式及原因。Mephisto 。这项工作Mephisto 以评估其在此类尖端项目中的适用性。

引力波探测 — 超低噪声应用

引力波探测项目的目标是直接观测引力波。引力波是时空中的微小涟漪。早在 1916 年，爱因斯坦就在其广义相对论中预测了引力波的存在。这些涟漪是由质量/能量的剧烈扰动引起的，例如双中子星的近距离旋转或双黑洞的并合。除了证实相对论的预测外，这些观测还将揭示暗物质和暗能量等人们知之甚少的现象，并解答有关量子引力的问题。 

在地球上测量引力波面临着超乎想象的困难，因为引力是迄今为止人类发现的最微弱的力，而且这些天体灾难事件发生的概率极低，这意味着我们需要在极远的距离上探测此类事件（以便覆盖巨大的搜索范围），即数十甚至数百兆秒差距（1兆秒差距等于326万光年）的距离。因此，研究人员需要能够^{观测小至10⁻²²量级的}时空调制。探测这些微小时空变化的首选方法是使用超稳定激光器进行远距离干涉测量。这些干涉仪（LIGO、GEO600、Virgo、KAGRA）均采用长达数公里、呈90°角布置的测量臂。但即便达到这样的长度，参考质量镜面上的位移变化预计也仅为质子直径的约1/10000。这相当于 1064 nm 激光波长的 5 × ^10⁻¹²。在光学干涉测量中，测量万亿分之一波长的路径差是史无前例的。此外，这种测量还要求数公里长的整个光路都处于超高真空环境和极低的激光噪声条件下。这四个项目 高意 High-Intent）Mephisto 。Mephisto 很大程度上是因为先前的独立研究已证实这些激光器具有最低的噪声[1]和出色的设备间一致性[2]。

LIGO 是这些国际合作项目之一，对其进行简要回顾有助于凸显在利用长路径干涉测量法探测引力波时所面临的部分激光挑战。对于此类应用，激光噪声的极限品质因数是相位噪声，即激光波长中的自然抖动，这由其有限的线宽和频率稳定性所决定。（关于激光噪声的简要讨论，请参阅Mephisto 白皮书《超低噪声与窄线宽》）。

LIGO 由两个完全相同的 L 形干涉仪组成，每个 L 形臂长 4 公里。美国的两座干涉仪相距数千公里（分别位于华盛顿州的汉福德和路易斯安那州的利文斯顿），以便通过同步测量来区分真实事件与局部异常现象。 

第一代LIGO于2002年建成，人们认为其性能（灵敏度）已接近能够探测到引力波的极限。然而，它并未产生任何可明确归因于引力波的数据事件，但为可观测的引力通量设定了新的上限，这本身就是有价值的信息。因此，升级版先进LIGO（Advanced LIGO）研发完成并开始观测，其灵敏度和频率范围均提高了两个数量级。经过数十年的紧张工作和研究，随着灵敏度的提升，LIGO于2015年9月首次直接探测到了引力波[3]。Mephisto W输出功率单元，随后是功率放大器和稳定方案。

先进 LIGO

先进LIGO的光学配置、激光系统和镜架悬挂系统均有所改进，因此与LIGO探测器相比，其灵敏度得到了显著提升。

对激光器的要求是什么？在原始格式中，估计在 ~100 Hz 的频率下，用于进行可能的引力波检测的可接受对功率噪声 (RPN) 为 < 2 x 10^-9 Hz ^-1/2（基于 10 瓦激光功率）。在新的先进 LIGO 设置中，目标激光噪声保持在相同的低水平，但是为了提高数量级灵敏度，激光功率已提高到 200 瓦范围。（单次测量噪声随功率的平方根增加而增加，而信号与功率成正比。） 

Mephisto ，部分原因在于采用了用于消除松弛振荡影响的噪声消除器技术 [4]。尽管如此，LIGO 的噪声要求仍比自由运行模式下 2 瓦Mephisto 保证噪声规格低三个数量级。此外，公认的将激光振荡器功率提升至目标 200 瓦范围内的最低噪声方法是，将振荡器集成到主振荡器功率放大器 (MOPA) 配置中，类似于Mephisto MOPA 高功率环振荡器，并利用其注入锁定高功率环振荡器。先前独立研究已表明，当像Mephisto NPRO 型激光器在此三阶段设置中提升至 200 瓦范围时，最小噪声可降低多达三个数量级 [5] — 见图 1。本文不会详细阐述 LIGO 为实现数百瓦功率及低于 ^{10⁻⁸ Hz⁻¹/²}的噪声所采用的技术、付出的努力以及取得的成果。然而，通过在Mephisto 输出及后续放大阶段采用多个嵌套降噪循环，噪声已降至目标水平。

Mephisto 极低的相对功率噪声Mephisto 还具有极低的频率噪声。然而，要达到 LIGO 的灵敏度目标，仍需将频率噪声比Mephisto 降低几个数量级。对 LIGO 而言，幸运的是Mephisto 采用单片激光腔压电（快速）和温度（慢速）调节模式的频率控制元件。这些元件可用于通过将激光频率稳定到外部参考（例如光学谐振器或分子吸收线）来降低频率噪声。在 LIGO 系统中，这些控制元件作为一系列控制回路的一部分，用于将激光频率锁定到光学参考并将其噪声降低至目标水平。

激光器设备间的一致性与可靠性

激光振荡器的稳定性和长期可靠性是 LIGO 等引力波探测系统的另外两个重要要求。这是因为 LIGO总共需要六个完全相同的稳定激光系统（三个天文台激光器、两个备用激光器和一个参考系统），而稳定性能够将激光振荡器和放大器的性能推向绝对极限。整体噪声在很大程度上取决于种子激光振荡器的噪声。此外，由于可观测引力波抵达地球的可能性极低，这些激光器必须支持多年的连续观测，以提高探测到这些罕见事件的机会。

几年前，在德国汉诺威阿尔伯特·爱因斯坦研究所工作的 Patrick Kwee 和 Benno Willke 发表了一项研究，表明 GWD 系统对多个完全相同激光器的需求是其发展的主要驱动力。这些研究人员比较了八台Mephisto ，全面测试了一组不同的输出参数，包括功率和频率噪声、指向波动以及空间模式 [2]，在GWD等应用中，所有这些参数都必须完全一致且稳定。在这项研究中，一台激光器在3.5个月（>3,500小时）的运行时间内自动连续测试了各种参数。据我们所知，这是迄今为止规模最大的窄线宽激光器测试，且其结果已与同行评审期刊上发表的研究进行了对比。

为了同时测量多个参数，这些研究人员开发了一种名为“诊断面包板”（DBB）的定制仪器。他们在发表的论文中指出，“DBB 专为测试线偏振、单频、连续波激光束的特性而设计。它能够测量 1 Hz 至 100 kHz 傅里叶频段内的功率噪声、频率噪声和光束指向波动，以及高达 100 MHz 的射频 (RF) 功率噪声和空间光束质量。除射频功率噪声测量外，激光束特性测试完全由计算机自动化完成。”自动化测量被认为是避免任何操作员错误/主观性的关键要素。

他们的研究表明，所有激光器的输出参数在不同设备之间的差异非常小。图 2 展示了其测量结果集的典型示例，其中显示这八台测试激光器始终具有较低的相对功率噪声。作者总结了他们对这八台Mephisto 指出“特征测试结果表明 NPRO 是一种高度稳定的激光源，且不同样机之间的差异相当小”，因此，“NPRO 非常适合在干涉引力波探测器中运行。由于其频率噪声低且稳定，并配备快速高动态范围频率执行器，因此在需要更高输出功率的情况下，它们特别适合用作放大器或注入锁定配置的主振荡器。”

对单台Mephisto 证实，在 3600 小时的测试期间，所有测得的输出参数均表现出出色的稳定性。如图 4 所示的数据，作者指出：“对频率噪声的长期测量表明，噪声似乎非常稳定，且多次测量之间的变化很小。”

图 4 总结了长期稳定性的另一个例子。具体来说，尽管这些测量存在一些由环境因素（气流）引起的限制，但通过将 DBB 系统封装在受控气流箱中，这些限制已得到部分解决。

参考文献

[1] R.E.Bartolo、A. Tveten 和 C.K.Kirkendal，《SPIE会议论文集》第 7503 卷，750370-1 页（2009）
[2] P. Kwee 和 B. Willke，《应用光学》第 47 卷，第 6022 页 (2008)
[3] B. P. Abbott等（LIGO科学 Virgo 合作组），《物理评论快报》第 116 卷，第 061102 页 (2016)
[4] 高意《Corp.Mephisto 》
[5] B. Willke等人，《Class. Quantum Grav.》25 (2008) 114040.http://dx.doi.org/10.1088/0264-9381/25/11/114040