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话题

 量子光学

量子光学

原型重力波探测器使用压缩光

华盛顿州汉福德市的LIGO很快就会使用挤压光。

Physicists in the US and Australia have used the 量子 nature of light to make an important step towards improving the sensitivity of kilometre-sized interferometers used to search for gravitational waves. By using light in a “squeezed state”他们使原型重力波探测器的灵敏度提高了44%。

在一个全尺寸探测器中,这个数字可能达到300%,研究小组认为,可以在1-3年内在诸如LIGO之类的工作探测器中测试挤压光源。更灵敏的探测器将能够在更大的宇宙中搜索引力波的来源,从而使其更有可能被探测到。

引力波是时空结构中的涟漪,它是大质量物体在太空中加速飞行时产生的。由爱因斯坦预测’根据相对论,波浪非常微弱—即使是超新星爆炸或中子星与黑洞碰撞等极端事件—因此没有被直接检测到。

物理学家已经建造了许多非常大的干涉仪来试图寻找这种波,包括美国的两个LIGO设施,意大利的处女座探测器,德国的GEO 600设施以及日本的TAMA项目。这些设备将激光束在90度时分成两个分量° 彼此,将每个组件分别发送“arm”那可能是几公里长。光束反弹“test masses” with highly reflective mirror surfaces at the end of each 臂. The beams are then recombined on a beamsplitter before being detected by a photodetector.

微小的变化

A gravitational wave passing through the device stretches one of the 臂s and compresses the other, therefore changing the interference pattern at the photodetector. However, the change to the length of the 臂s will be tiny — about 10-18 m —因此,干涉图案的相关变化也将非常小。实际上,到目前为止,现有的检测器尚未检测到任何重力波。

下一代探测器应该在2010年代初开始运行,它们的灵敏度非常高,以至于其性能将受到激光量子性质产生的噪声的限制。量子理论要求与光的相位和幅度相关的两个数量的不确定性乘积要大于最小值。在测量光相位的干涉仪中,这意味着总会有一些“quantum”检测器中有噪音。

幸运的是,不确定性原理并不能阻止物理学家通过以下方式将噪声最小化“squeezing”光的量子态,使得振幅的不确定性变大,而相位的不确定性变小。这种受挤压的状态于1985年首次通过实验证明,当时被提议用于重力波探测器。现在,由麻省理工学院的Nergis Mavalvala和Keisuke Goda领导的一组LIGO物理学家已通过实验证明,可以使用压缩源来提高原型探测器的灵敏度( 自然物理学 doi:10.1038 / nphys920 )。

挤压光

The 挤压状态 was created by passing infrared laser light through two devices that contain special “non-linear”光学材料。在这种材料中,折射率(影响光的相位)根据光的振幅而变化。

该光源基于掺钕钇铝石榴石(Nd:YAG)激光器,该激光器以1024 nm波长的连续光束发射“二次谐波发生器”。这样会产生一束恰好是波长的一半的光束(532 纳米)。然后,该较短波长的光通过“光学参量振荡器”(OPO),它将单个532 nm光子转换为两个1064 nm光子。从OPO发出的光子处于压缩状态,因此光相位中的量子噪声降低9.3 dB与输入激光相比。

然后将这些光子引入洛杉矶附近加州理工学院的具有40米长臂的重力波探测器原型中。理想情况下,团队应该已经将干涉仪的灵敏度提高了约300%,但相反,他们只能获得44%的灵敏度。根据Mavalvala的说法,这种缺点是由于光学损失造成的,这种损失在原型中比在工作中的重力波检测器要大。

根据Mavalvala的说法,灵敏度提高200%将使LIGO能够检测到来自宇宙体积的引力波,该引力波是目前可能的八倍—提高了检测到此类波的可能性。即使灵敏度略微提高44%,该体积也会增加大约三倍。马瓦瓦拉告诉 physicsworld.com 他们的压缩源可以在未来1-3年内在重力波探测器上进行测试。

‘Very important step’

英国格拉斯哥大学的James Hough将LIGO团队的工作描述为“在重力波探测器中实现压缩源非常重要的一步”。霍夫是英国汉诺威德国GEO 600重力波探测器的主要研究人员。

还有两个研究小组也在研究在引力波探测器中使用压缩光。霍夫说,汉诺威大学的一个小组正计划在今年晚些时候在GEO 600上使用压缩源。另一个小组是堪培拉的澳大利亚国立大学,是第一个在1064年发现这种光的小组 纳米可能被挤压。这是一个重要的突破,因为所有重力波探测器都非常稳定,因此使用Nd:YAG激光器发出的1064 nm光。

版权©2020年由IOP 出版 Ltd和个人贡献者