ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ РЕГИСТРАЦИИ ВЫСОКОЧАСТОТНЫХ ГРАВИТАЦИОННЫХ ВОЛН

Голяк И. С.; Морозов А. Н.; Назолин А. Л.; Табалин С. Е.

Ссылка на статью: // Радиостроение. 2020. № 05. С. 42-51

Б01: 10.36027/^е^.0520.0000184

Представлена в редакцию: 10.08.2020

http://www.radiovega.su © Голяк И.С., Морозов А.Н., Назолин А.Л.,

Табалин С.Е., 2020

УДК 535.41, 520.362

Информационно-измерительный комплекс для регистрации высокочастотных гравитационных волн

Голяк И.С.1'2'*, Морозов А.Н.1'2, "ШуааоШтаЛлги

1 1 1 1 Назолин А.Л. ' , Табалин С.Е. '

1 АО «ЦПФ МГТУ», Москва, Россия 2МГТУ им. Н.Э. Баумана, Москва, Россия

В работе описывается информационно -измерительный комплекс предназначенный для регистрации высокочастотных флуктуаций метрики пространства-времени и его основные элементы. Комплекс построен на базе интерферометра Фабри-Перо с высокоотражающими зеркалами и двухметровым резонатором. Для накачки используется твердотельный Nd:YAG лазер с длиной волны X = 1064 нм. Регистрация сигнала осуществляется с помощью InGaAs приемника DET10N2, с рабочей спектральной областью 500-1700 нм и размером активной области 0,8 мм2. С использованием разработанного комплекса проведены экспериментальные исследования и по регистрации сигнала на выходе интерферометра при частотах считывания 1 МГц и 20 МГц. Приведены графики флуктуации сигнала по времени и построенные по ним спектры.

Ключевые слова: интерферометр Фабри-Перо, низкочастотный оптический резонанс, гравитационно-волновые возмущения, высокочастотные гравитационные детекторы

Введение

Одним из перспективных способов наблюдательной космологии является регистрация гравитационных волн астрофизического происхождения. Для решения задачи создания гравиволновых детекторов необходимо проведение исследований, направленных на разработку высокочувствительных лазерных интерферометров.

На сегодняшний день реализуется несколько проектов поиска гравитационных волн, такие как проекты LIGO (США), VIRGO (Италия, Франция), TAMA-300 (Япония) и др. [14]. Проекты направлены на регистрацию коротких всплесков гравитационных волн астрофизического происхождения от достаточно редких событий [5, 6]. Разрабатываемые в рамках данных проектов детекторы имеют максимальную чувствительность в диапазоне частот от 100 до 1000 Гц [7].

Радиостроение

Научно-практический журнал

Другим возможным источником гравитационно-волнового возмущения являются реликтовые гравитационные волны, для которых, согласно последним теоретическим расчетам широкого класса космологических моделей, должно наблюдаться достаточно резкое возрастание спектральной плотности энергии для частот от 105 до 1010 Гц [8-10]. Для этих целей разрабатываются и создаются гравитационные детекторы, настроенных на регистрацию возмущений в указанном диапазоне волн [11, 12].

Основным элементом, разрабатываемых детекторов, является интерферометр Май-кельсона в плечах которого располагаются интерферометры Фабри-Перо [13]. Для повышения чувствительности детектора в высокочастотной области спектра может использоваться явления низкочастотного оптического резонанса [14].

При небольших размерах базы интерферометра, в котором применяется данное явление, может быть достигнута чувствительность сопоставимая с чувствительностью интерферометра длина плеч которого на несколько порядков больше.

1. Описание разрабатываемого макета информационно-измерительного

комплекса

С использованием собранного макета на основе одного интерферометра Фабри-Перо [15], были проведены экспериментальные исследования по предварительной регистрации сигнала с приемного устройства. Внешний вид макета представлен на рис. 1.

1-е-ЧХН>{0

1 ! ! I

Рис. 1. Схема комплекса для отработки регистрации гравитационных волн

1 - №:УАв лазер 1064 нм, 2 - зеркало, 3 - расширитель пучка, 4 - диафрагма, 5 - интерферометр Фабри-Перо, 6 - линза, 7 - длинноволновый фильтр, 8 - светоделитель, 9 - ФПУ, 10 - приемник DET10N2,

11 - система сбора данных

В качестве лазера накачки используется твердотельный Кё:УАО лазер (1) с длиной волны X = 1064 нм. Излучение от Кё:УАО лазера (1) отражается на зеркале (2) и попадает в расширитель пучка (3), на котором происходит увеличение в 10 раз. После прохождения через расширитель (3) и диафрагму (4), с размером 0,5 мм, излучение попадает в интерферометр Фабри-Перо (5). На выходе интерферометра (5) устанавливается длиннофокусная линза (6), оптический фильтр (7) и светоделительная пластина (8) с коэффициентом деле-

ния 50/50. Для регистрации сигнала используется матричное фотоприемное устройство (ФПУ) LW130 фирмы Spiricon (9) и InGaAs приемник DET10N2 (10).

Получаемый сигнал с приемника (10) передается в систему сбора данных и предварительной обработки (11). Считывание данных с приемников осуществляется с частотой 20 МГц. При такой частоте считывания и 8 битном АЦП за одну секунды объем данных составит 20 Мб, а за 60 с объем данных составит 1,2 Гб. Хранение такого большого объема данных не представляется возможным. Поэтому запись сигнала осуществляется при наличии близких сигналов, которые связаны с одним событием, на обоих макетах. В качестве критерия близости выбирается коэффициент корреляции.

На выходе из лазера, для уменьшения расходимости лазерного излучения и одновременно увеличения диаметра пучка, устанавливается расширитель с двадцатикратным увеличением, оптимизированный на рабочую длину волны лазера 1064 нм (расширитель -1064nm Vega™ Nd:YAG Laser Line Beam Expander).

В качестве резонатора интерферометра Фабри-Перо используется основание от He-Ne лазера ЛГН-222, плечо которого равняется 2 м. Инваровый стержень в конструкции оптического резонатора обеспечивает жесткость и большую стабильность за счет малого температурного коэффициента линейного расширения материала. Так как для случая регистрации высокочастотных флуктуаций метрики выполняется условие малости механической частоты колебаний зеркал по сравнению с частотой флуктуаций метрики пространства-времени, то зеркала жестко связаны между собой и с основанием интерферометра.

В качестве зеркал в интерферометре используются высококачественные зеркала с коэффициентом отражения 99,99 % на рабочей длине волны X = 1064 нм. Зеркала интерферометров выполнены в виде многослойных интерференционных фильтров без использования проводящих отражающих поверхностей

Регистрация сигнала осуществляется с применением InGaAs приемника DET10N2, с рабочей спектральной областью 500-1700 нм и размером активной области 0,8 мм . Приемник позволяет обеспечить ширину полосы равную 70 МГц. Эквивалентная мощность шума (NEP) приемника составляет

2,010-14 Вт/^Гц.

Данные с приемника поступают на двухканальную 12 разрядную плату аналого-цифрового преобразователя (Ла-н20-12PCI) в составе персонального компьютера. Плата в режиме реального времени осуществляет считывание сигнала с максимальной частотой дискретизации 50 МГц.

2. Экспериментальные данные

С использованием разработанного экспериментального стенда проводилась регистрация сигнала на видео камере и оптическом приемнике. На рис. 2 приведены изображения центрального пятна, регистрируемого на видеокамере, за небольшой промежуток времени. Время измерения сигнала составляло 3 с. Временной порядок изображений идет слева на право и сверху вниз.

Рис. 2. Изменение интенсивности сигнала во времени

По полученным изображениям хорошо видно как изменяется форма пятна и его интенсивность со временем, что соответствует уходу относительно рабочей точки резонатора. Такие колебания связаны с небольшими изменениями положения зеркал относительно друг друга и их причина может быть связана с наличием различным возмущений в том числе тепловых потоков. Данные колебания происходят в низкочастотной области.

Для исследования долговременной стабильности проводилась долговременная запись сигнала продолжительностью порядка 20 мин с частотой 1 МГц. На рис. 3 приведен

график изменения интенсивности сигнала во времени, построенный по экспериментальным данным. На графике видно, что происходят как кратковременные процессы перестройки так и долговременные, когда резонатор уходит относительно рабочей точки на некоторый промежуток времени и потом возвращается в нее.

О 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

t, мин

Рис. 3. Изменение интенсивности во времени

Для полученных записей сигнала с частотой 20 МГц проводилось восстановление частотного спектра. На рис. 4 приведен частотный спектр полученный за один цикл измерения.

Рис. 4. Частотный спектр

Выбросы наблюдаются по всему спектру. В диапазоне частот от 2 до 8 МГц заметен непрерывный набор линий, интенсивность которых увеличивается до 5 МГц, а потом начинает спадать.

Увеличенная область частотного спектра до 3 МГц приведена на рис. 5. Наблюдаются отдельные пики возмущения на следующих частотах: 85 кГц, 300 кГц, 900 кГц, 1,25 МГц, 1,7 МГц, 2 МГц, 2,5 МГц, 2,8 МГц.

Рис. 5. Увеличенная область частотного спектра

При осреднении сигнала по 50 измерениям форма спектра и выбросы сохраняются (рис. 6).

Рис. 6. Спектр усредненный по 50 кадрам

Заключение

В работе приведено описание макета и информационно-измерительного комплекса для регистрации гравитационных волн и его составных частей. Приводятся результаты предварительных экспериментов на лабораторном макете лазерной интерференционной гравитационной антенны при частотах считывания 1 МГц и 20 МГц. Показано, что происходят как кратковременные процессы перестройки так и долговременные, когда резонатор уходит относительно рабочей точки. Построенные спектры по зарегистрированному сигналу показывают наличие выбросов по всему спектры, вплоть до частоты 10 МГц.

Исследование выполнено за счет гранта Российского фонда фундаментальных исследований (проект № 19-29-11015 «Разработка макета комплекса для отработки процесса получения и обработки информации с комплекса лазерных интерференционных гравитационных антенн наземного и космического базирования»).

Список литературы

1. LIGO: The laser interferometer gravitational-wave observatory / B.P. Abbott, R. Abbott, R. Adhikari, P. Ajith, B. Allen et al. // Rep. Prog. Phys. 2009. Vol. 72. №. 7. P. 076901.

2. A state observer for the Virgo invented pendulum // Review of scientific instruments / T. Accadia, F. Acernese, P. Astone, G. Ballardin et al. 2011. V. 82. P. 094502.

3. Observation results by the TAMA300 detector on gravitational wave bursts from stellar-core collapses / M. Ando, K. Arai, Y. Aso, P.T. Beyersdorf et al. // Rhys. Rev. D. 2005. V. 71. №. 8. P. 082002-1-082002-17.

4. First long-term application of squeezed states of light in a gravitational-wave observatory // H. Grote, K. Danzmann, K.L. Dooley, R. Schnabel, J. Slutsky, H. Vahlbruch // Phys. Rev. Lett. 2013. V. 110. P. 181101-1-181101-5.

5. Li F., Tang M., Shi D. Electromagnetic response of a Gaussian beam to high-frequency relic gravitational waves in quintessential inflationary models // Phys. Rev. D. 2003. V.67. P. 104008.

6. A new theoretical technique for the measurement of high-frequency relic gravitational waves / R.C. Woods, R.M.L. Baker, F. Li, G.V. Stephenson, E.W. Davis, A.W. Beckwith // J. of Modern Physics. 2011. №. 2. P. 498-518.

7. Boyle L.A., Steinhardt P.J., Turok N. The cosmic gravitational-wave background in a cyclic universe // Phys. Rev. D. 2004. V. 69. P. 127302.

8. Sa P.M., Henriques A.B. Gravitational-wave generation in hybrid quintessential inflationary models // Phys. Rep. D. 2010. V. 81. P. 124043.

9. Nishizawa A., Motohashi H. Constraint on reheating after f(R) inflation from gravitational waves // Phys. Rev. D. 2014. V. 89. P. 063541.

10. Пустовойт В.И., Герценштейн М.Е. К вопросу об обнаружении гравитационных волн малых частот // ЖЭТФ. 1962. Т. 43. Вып. 8. С. 605-607.

11. Есаков А.А., Морозов А.Н., Табалин С.Е., Фомин И.В. Применение низкочастотного оптического резонанса для регистрации высокочастотных гравитационных волн // Вестник МГТУ им. Н.Э.Баумана, Сер. Естественные науки. 2015. № 1. С. 25-34.

12. Голяк Ил.С., Дворук С.К., Есаков А.А., Морозов А.Н., Пустовойт В.И., Строков М.А., Табалин С.Е. Разработка и создание макета для регистрации высокочастотных гравитационных волн // Физические основы приборостроения. 2016. Т. 5. № 3. С. 40-47.

13. Морозов А.Н. Применение интерферометра Фабри-Перо для регистрации высокочастотных флуктуаций метрики пространства-времени // Инженерный журнал: наука и инновации. 2012. № 5. С. 24.

14. Фомин И.В., Червон С.В., Морозов А.Н. Гравитационные волны ранней вселенной. М., Издательство МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2018. 154 с.

15. Голяк И.С., Морозов А. Н., Назолин А. Л., Табалин С. Е. Разработка информационно-измерительного комплекса для регистрации высокочастотных гравитационных волн. // Радиостроение. 2020. № 3. C. 35-49.

Radio Engineering

Radio Engineering, 2020, no. 05, pp. 42-51. DOI: 10.36027/rdeng.0520.0000184 Received: 10.08.2020

Information-Measuring Complex for Registration High Frequency Gravitational Waves

*

I.S. Golyak1'2'*, A.N. Morozov1'2, A.L. Nazolin1'2, S.E. Tabalin1'2

1Center of applied physics Bauman Moscow State Technical University, Moscow, Russia 1Bauman Moscow State Technical University, Moscow, Russia

Keywords: Fabry-Perot interferometer, low-frequency optical resonance, gravitational-wave perturbations, high-frequency gravitational detectors

The information-measuring complex designed to register high-frequency fluctuations of the space-time metric and its main elements are described in paper. The complex is based on a Fabry-Perot interferometer with highly reflective mirrors and a two-meter resonator. A solidstate Nd: YAG laser with a wavelength X = 1064 nm is used for pumping. To read the signal, an InGaAs receiver DET10N2, with a working spectral range of 500-1700 nm and an active region of 0.8 mm2, is applied. Using the developed complex, experimental studies of signal registration at readout frequencies of 1 MHz and 20 MHz were carried out. The graphs of signal fluctuations in time and the spectra constructed from them are given.

References