CC BY
7Ссылка на статью: // Радиостроение. 2020. № 03. С. 35-49
Б01: 10.36027/^е^.0320.0000172
Представлена в редакцию: 06.04.2020
© И.С. Голяк, А.Н. Морозов, А.Л. Назолин, Табалин С.Е.
УДК 535.41, 520.362
Разработка информационно-измерительного комплекса для регистрации высокочастотных гравитационных волн
Голяк И.С.1'2'*, Морозов А.Н.1'2,
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 для отработки методики регистрации высокочастотных флуктуаций метрики пространства-времени и его основные элементы. Комплекс состоит из двух идентичных макетов, построенных на базе интерферометра Фабри-Перо с высокоотражающими зеркалами и двухметровым резонатором. В качестве лазера 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. Приводится описание системы синхронизации, которая с большой точностью обеспечит привязку к мировому времени и позволит с минимальной временной задержкой считывать данные с нескольких детекторов.
Ключевые слова: система синхронизации, интерферометр Фабри-Перо, низкочастотный оптический резонанс, гравитационно-волновые возмущения, высокочастотные гравитационные детекторы
Введение
Поиск гравитационных волн осуществляется в рамках таких международных проектов как LIGO (США), VIRGO (Италия, Франция), TAMA-300 (Япония), GEO 600 (Германия) и др. [1-4]. Данные проекты направлены на решение задачи регистрации коротких всплесков гравитационных волн, возникающих при достаточно редких астрофизических событиях. При этих событиях генерируются гравитационные волны, имеющие частоты в диапазоне 100 - 1000 Гц.
Современные космологические теории предсказывают существование высокочастотных реликтовых гравитационных волн, возникающих на первоначальной стадии формирования Вселенной [5, 6]. Для таких волн должно наблюдаться достаточно резкое воз-
Радиостроение
Научно-практический журнал http ://www. rad iovega .su
üiyagol'ff mail.ru
растание спектральной плотности энергии гравитационных волн для частот 105 - 1010 Гц [7-9]. Для регистрации указанных гравитационных волн необходима разработка специальных, высокочастотных гравитационных детекторов.
Для подтверждения регистрации высокочастотных гравитационных волн необходимым условием является одновременное обнаружение на нескольких независимых детекторах. Для этого детекторы должны быть с большой точностью синхронизированы между собой.
Идея применения интерферометра Майкельсона для регистрации гравитационных волн была предложена в работе [10]. В настоящее время она используется во всех лазерных интерференционных гравитационных антеннах, в которых в плечах интерферометра Майкельсона располагаются интерферометры Фабри-Перо. Возможность регистрации высокочастотных гравитационных волн с помощью интерферометра Фабри-Перо обосновывается в работах [11-14].
1. Описание разрабатываемого макета информационно-измерительного
комплекса
Для отработки методов регистрации высокочастотных гравитационных волн и согласования системы управления и обработки экспериментальной информации был собран макет на основе интерферометров Фабри-Перо и проведены работы по его настройке.
Схема комплекса для отработки методов регистрации высокочастотных гравитационных волн изображена на рис.1. Комплекс состоит из двух идентичных макетов, построенных на базе интерферометров Фабри-Перо. Для отработки информационного обмена на первом этапе макеты предполагается расположить в непосредственной близости друг от друга в одном помещении, а затем, разнести их на достаточное расстояние.
В качестве лазера накачки используется твердотельный Nd:YAG лазер (1) с длиной волны X = 1064 нм. Излучение от Nd:YAG лазера (1) проходит через диафрагму (2), размером 0,5 мм, расширитель пучка (3), на котором происходит увеличение в 20 раз, и попадает на юстировочное зеркало (4). Отражаясь от зеркала (4) излучение попадает в интерферометр Фабри-Перо (5). При многократном отражении излучения от зеркал интерферометра на фотоприемнике (6) формируется изображение интерференционных колец. Получаемый сигнал с приемника передается в систему сбора данных и предварительной обработки (7). После этого сигнал с каждого макета передается в блок обработки (8) для дальнейшего анализа. Для обеспечения синхронного считывания данных на двух макетах предполагается использование системы синхронизации (9).
Лазер (1) построен на основе кольцевой схемы с однонаправленной бегущей волной для одночастотного режима работы. К преимуществам такой схемы относится устранение эффекта пространственной неоднородности насыщения усиления, который приводит к многомодовому режиму генерации. В лазере предусмотрена возможность стабилизации частоты за счет реализации в его конструкции двух пьезокерамик. Основные характеристики лазера приведены в табл. 1.
Рис. 1. Схема комплекса для отработки регистрации гравитационных волн 1 - Nd:YAG лазер 1064 нм, 2 - диафрагма, 3 - расширитель пучка, 4 - юстировочное зеркало, 5 - интерферометр Фабри-Перо, 6 - приемник DET10N2, 7 - система сбора данных, 8 - система обработки
данных, 9 - система синхронизации
Таблица 1. Характеристики лазерного источника излучения
Выходная мощность лазера (Х=1064 нм) 1 Вт
Модовый состав TEMoo
Поляризация на длине волны 1064 нм линейная
Ширина линии 10 кГц
Область свободной дисперсии лазера 2,4 ГГц
Чувствительность температурной перестройки 0,005 нм/°С
На выходе из лазера наблюдается расходящийся поток излучения. Для
оценки параметров лазерного излучения определялась расходимость по двум координатам в зависимости от расстояния. На рис. 2 представлены графики изменения ширины пучка по координате X (а) и Y (б). Из приведенных данных видно, что при увеличении расстояния на 30 см ширина пучка увеличивается почти в два раза.
Рис. 2. Измеренный диаметр пучка в плоскостях X (а) и У (б) в зависимости от расстояния
Для уменьшения расходимости лазерного излучения и одновременно увеличения диаметра пучка на выходе из лазера устанавливается расширитель пучка 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 было выбрано основание от He-Ne лазера ЛГН-222 с длиной плеча 2 м. Инваровый стержень в конструкции оптического резонатора обеспечивает жесткость и большую стабильность за счет малого температурного коэффициента линейного расширения материала.
Для обеспечения многократного отражения в интерферометре в качестве зеркал используются высококачественные зеркала с коэффициентом отражения 99,99 % на рабочей длине волны X = 1064 нм.
При регистрации высокочастотных гравитационных волн необходимо использовать приемник, имеющий полосу частот, ограниченную сверху частотой не менее 40 МГц. К приемнику так же предъявляются требования к хорошей чувствительности на длине волны 1064 нм. В качестве детектора используется InGaAs приемник DET10N2, с рабочей спектральной областью 500-1700 нм и размером активной области 0,8 мм . Приемник позволяет обеспечить ширину полосы равную 70 МГц при нагрузке 50 Ом. Эквивалентная мощность шума (NEP) приемника составляет 2,0-10-14 Вт^Гц.
Кривая чувствительности приемника от длины волны представлена на рис.3.
Рис. 3. Спектральная чувствительность приемника DET10N2
2. Система сбора данных
Данные с приемников поступают на двухканальную 12 разрядную плату аналого -цифрового преобразователя (АЦП) типа Ла-н20-12РС1 в составе персонального компьютера. Плата в режиме реального времени осуществляет одновременное считывание сигналов по двум каналам с максимальной частотой дискретизации 50 МГц. В случае разнесения макетов используются два компьютера сбора данных. Синхронизация и связь компьютеров осуществляется через сеть Ethernet IEEE 802.3.
В качестве системы синхронизации времени компьютеров, частоты дискретизации АЦП и момента начала записи данных с приемников предполагается использование одного или нескольких серверов точного времени типа МЕТРОНОМ PTP, реализующих протокол синхронизации IEEE 1588-2008 или Precision Time Protocol (PTP).
Сервер РТР синхронизируется по сигналу ГЛОНАСС/GPS с атомными часами спутников, установленных на околоземной орбите. К его PTP порту подключаются компьютеры сбора данных. Часы компьютеров аппаратно синхронизируются с мировым временем
UTC с погрешностью ±100 нс, а частота выходного сигнала сервера PTP 10 МГц устанав-
12
ливается с погрешностью ±10- с. Выходная эталонная частота сервера PTP 10 МГц используемая как внешняя тактовая частота платы АЦП, а эталонная частота 1 Гц - для синхронизации момента одновременного начала записи данных приемников.
Данная схема должна обеспечить погрешность синхронизации времени измерений с мировым временем UTC не более ±100 нс и относительную задержку взятия отсчетов между измерительными каналами не более ±2 отсчета эталонной частоты 10 МГц.
Заключение
В работе приведено описание информационно-измерительного комплекса для регистрации гравитационных волн и его составных частей. Так же приводиться описание системы сбора данных, которая должна обеспечить минимальную задержку между считываниями сигнала с двух интерферометров.
Рассмотренная схема синхронизации времени и частоты разрабатываемого комплекса для регистрации высокочастотных гравитационных волн должна обеспечить погрешность синхронизации времени измерений с мировым временем UTC не более ±100 нс и относительную задержку снятия отсчетов между измерительными каналами не более ±2 отсчета эталонной 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. Abbott B.P., Abbott R., Adhikari R., Ajith P., Allen B., Allen G., Amin R.S., Anderson S.B., Anderson W.G., Arain M.A., Araya M., Armandula H., Armor P., Aso Y., Aston S., Aufmuth P., Aulbert C., Babak S., Baker P., Ballmer S., Barker C., Barker D., Barr B., Barriga P., Barsotti L., Barton M.A., Bartos I., Bassiri R., Bastarrika M., Behnke B., Benacquista M., Betzwieser J., Beyersdorf P.T., Bilenko I.A., Billingsley G., Biswas R., Black E., Blackburn J.K., Blackburn L., Blair D., Bland B., Bodiya T.P., Bogue L., Bork R., Boschi V., Bose S., Brady P.R., Braginsky V.B., Brau J.E., Bridges D.O., Brinkmann M., Brooks A.F., Brown D.A., Brummit A., Brunet G., Bullington A., Buonanno A., Burmeister O., Byer R.L., Cadonati L., Camp J.B., Cannizzo J., Cannon K.C., Cao J., Cardenas L., Caride S., Castaldi G., Caudill S., Cavagliá M., Cepeda C., Chalermsongsak T., Chalkley E., Charlton P., Chatterji S., Chelkowski S., Chen Y., Christensen N., Chung C.T.Y., Clark D., Clark J., Clayton J.H., Cokelaer T., Colacino C.N., Conte R., Cook D., Corbitt T.R.C., Cornish N., Coward D., Coyne D.C., Creighton J.D.E., Creighton T.D., Cruise A.M., Culter R.M., Cumming A., Cunningham L., Danilishin S.L., Danzmann K., Daudert B., Davies G., Daw E.J., DeBra D., Degallaix J., Dergachev V., Desai S., DeSalvo R., Dhurandhar S., Díaz M., Dietz A., Donovan F., Dooley K.L., Doomes EE., Drever R.W.P., Dueck J., Duke I., Dumas J.-C., Dwyer J.G., Echols C., Edgar M., Effler A., Ehrens P., Espinoza E., Etzel T., Evans M., Evans T., Fairhurst S., Faltas Y., Fan Y., Fazi D., Fehrmenn H., Finn L.S., Flasch K., Foley S., Forrest C., Fotopoulos N., Franzen A., Frede M., Frei M., Frei Z., Freise A., Frey R., Fricke T., Fritschel P., Frolov V.V., Fyffe M., Galdi V., Garofoli J.A., Gholami I., Giaime J.A., Giampanis S., Giardina K.D., Goda K., Goetz E., Goggin L.M., González G., Gorodetsky M.L., Goßler S., Gouaty R., Grant A., Gras S., Gray C., Gray M., Greenhalgh R.J.S., Gretarsson A.M., Grimaldi F., Grosso R., Grote
H., Grunewald S., Guenther M., Gustafson E.K., Gustafson R., Hage B., Hallam J.M., Hammer
D., Hammond G.D., Hanna C., Hanson J., Harms J., Harry G.M., Harry I.W., Harstad E.D., Haughian K., Hayama K., Heefner J., Heng I.S., Heptonstall A., Hewitson M., Hild S., Hirose
E., Hoak D., Hodge K.A., Holt K., Hosken D.J., Hough J., Hoyland D., Hughey B., Huttner S.H., Ingram D.R., Isogai T., Ito M., Ivanov A., Johnson B., Johnson W.W., Jones D.I., Jones G., Jones R., Ju L., Kalmus P., Kalogera V., Kandhasamy S., Kanner J., Kasprzyk D., Katsavounidis E., Kawabe K., Kawamura S., Kawazoe F., Kells W., Keppel D.G., Khalaidovski A., Khalili F.Y., Khan R., Khazanov E., King P., Kissel J.S., Klimenko S., Kokeyama K., Kondrashov V., Kopparapu R., Koranda S., Kozak D., Krishnan B., Kumar R., Kwee P., Lam P.K., Landry M., Lantz B., Lazzarini A., Lei H., Lei M., Leindecker N., Leonor I., Li C., Lin H., Lindquist P.E., Littenberg T.B., Lockerbie N.A., Lodhia D., Longo M., Lormand M., Lu P., Lubinski M., Lucianetti A., Lück H., Machenschalk B., MacInnis M., Mageswaran M., Mailand K., Mandel I., Mandic V., Márka S., Márka Z., Markosyan A., Markowitz J., Maros E., Martin
I.W., Martin R.M., Marx J.N., Mason K., Matichard F., Matone L., Matzner R.A., Mavalvala N., McCarthy R., McClelland D.E., McGuire S.C., McHugh M., McIntyre G., McKechan D.J.A., McKenzie K., Mehmet M., Melatos A., Melissinos A.C., Menéndez D.F., Mendell G., Mercer R.A., Meshkov S., Messenger C., Meyer M.S., Miller J., Minelli J., Y Mino Y., Mitrofanov VP., Mitselmakher G., Mittleman R., Miyakawa O., Moe B., Mohanty S.D., Mohapatra S.R.P., Moreno G., Morioka T., Mors K., Mossavi K., MowLowry C., Mueller G., Müller-Ebhardt H., Muhammad D., Mukherjee S., Mukhopadhyay H., Mullavey A., Munch J., Murray P.G., Myers E., Myers J., Nash T., Nelson J., Newton G., Nishizawa A., Numata K., O'Dell J., O'Reilly B., O'Shaughnessy R., Ochsner E., Ogin G.H., Ottaway D.J., Ottens R.S., Overmier H., Owen B.J., Pan Y., Pankow C., Papa M.A., Parameshwaraiah V., Patel P., Pedraza M., Penn S., Perraca A., Pierro V., Pinto I.M., Pitkin M., Pletsch H.J., Plissi M.V., Postiglione
F., Principe M., Prix R., Prokhorov L., Punken O., Quetschke V., Raab F.J., Rabeling D.S., Radkins H., Raffai P., Raics Z., Rainer N., Rakhmanov M., Raymond V., Reed C.M., Reed T., Rehbein H., Reid S., Reitze D.H., Riesen R., Riles K., Rivera B., Roberts P., Robertson N.A., Robinson C., Robinson E.L., Roddy S., Röver C., Rollins J., Romano J.D., Romie J.H., Rowan S., Rüdiger A., Russell P., Ryan K., Sakata S., Sancho de la Jordana L., Sandberg V., Sannibale V., Santamaría L., Saraf S., Sarin P., Sathyaprakash B.S., Sato S., Satterthwaite M., Saulson P R., Savage R., Savov P., Scanlan M., Schilling R., Schnabel R., Schofield R., Schulz B., Schutz B.F., Schwinberg P., Scott J., Scott S.M., Searle A.C., Sears B., Seifert F., Sellers D., Sengupta A.S., Sergeev A., Shapiro B., Shawhan P., Shoemaker D.H., Sibley A., Siemens X., Sigg D., Sinha S., Sintes A.M., Slagmolen B.J.J., Slutsky J., Smith J.R., Smith M.R., Smith N.D., Somiy K., Sorazu B., Stein A., Stein L.C., Steplewski S., Stochino A., Stone R., Strain K.A., Strigin S., Stroeer A., Stuver A.L., Summerscales T.Z., Sun K.-X., Sung M., Sutton P.J., Szokoly G.P., Talukder D., Tang L., Tanner D.B., Tarabrin S.P., Taylor J.R., Taylor R., Thacker J., Thorne K.A., Thüring A., Tokmakov K.V., Torres C., Torrie C., Traylor G., Trias M., Ugolini D., Ulmen J., Urbanek K., Vahlbruch H., Vallisneri M., Van Den Broeck C., Van der
Sluys M.V., Van Veggel A.A., Vass S., Vaulin R., Vecchio A., Veitch J., Veitch P., Veltkamp C., Villar A., Vorvick C., Vyachanin S.P., Waldman S.J., Wallace L., Ward R.L., Weidner A., Weinert M., Weinstein A.J., Weiss R., Wen L., Wen S., Wette K., Whelan J.T., Whitcomb S.E., Whiting B.F., Wilkinson C., Willems P.A., Williams H.R., Williams L., Willke B., Wilmut I., Winkelmann L., Winkler W., Wipf C.C., Wiseman A.G., Woan G., Wooley R., Worden J., Wu W., Yakushin I., Yamamoto H., Yan Z., Yoshida S., Zanolin M., Zhang J., Zhang L., Zhao C., Zotov N., Zucker M.E., zur Mühlen H. and Zweizig J. LIGO: The laser interferometer gravitational-wave observatory // Reports on Progress in Physics. 2009. Vol. 72. No. 7. P. 076901. DOI: 10.1088/0034-4885/72/7/076901
2. Accadia T., Acernese F., P Astone P., Ballardin G., Barone F., Barsuglia M., Basti A., Bauer Th.S., Bebronne M., Beker M.G., Belletoile A., Bitossi M., Bizouard M.A., Blom M., Bondu F., Bonelli L., Bonnand R., Boschi V., Bosi L., Bouhou B., Braccini S., Bradaschia C., Branchesi M., Briant T., Brillet A., Brisson V., Bulik T., Bulten H.J., Buskulic D., Buy C., Cagnoli G., Calloni E., Canuel B., Carbognani F., Cavalier F., Cavalieri R., Cella G., Cesarini E., Chaibi O., Chassande-Mottin E., Chincarini A., Chiummo A., Cleva F., Coccia E., Cohadon P.-F., Colacino C.N., Colas J., Colla A., Colombini M., Conte A., Corsi A., Coulon J.-P., Cuoco E., D' Antonio S., Dattilo V., Davier M., Day R., De Rosa R., Debreczeni G., Del Pozzo W., Del Prete M., Di Fiore L., Di Lieto A., Di Paolo Emilio M., Di Virgilio A., Dietz A., Drago M., Endroczi G., Fafone V., Ferrante I., Fidecaro F., Fiori I., Flaminio R., Forte L.A., Fournier J.-D., Franc J., Frasca S., Frasconi F., Galimberti M., Gammaitoni L., Garufi F., Gaspar M.E., Gemme G., Genin E., Gennai A., Giazotto A., Gouaty R., Granata M., Greverie C., Guidi G.M., Hayau J.-F., Heidmann A., Heitmann H., Hello P., Jaranowski P., Kowalska I., Krolak A., Leroy N., Letendre N., Li T.G.F., Liguori N., Lorenzini M., Loriette V., Losurdo G., Majorana E., Maksimovic I., Man N., Mantovani M., Marchesoni F., Marion F., Marque J., Martelli F., Masserot A., Michel C., Milano L., Minenkov Y., Mohan M., Morgado N., Morgia A., Mours B., Naticchioni L., Nocera F., Pagliaroli G., Palladino L., Palomba C., Paoletti F., Parisi M., Pasqualetti A., Passaquieti R., Passuello D., Persichetti G., Piergiovanni F., Pietka M., Pinard L., R Poggiani R., Prato M., Prodi G.A., Punturo M., Puppo P., Rabeling D.S., Racz I., Rapagnani P., Re V., Regimbau T., Ricci F., Robinet F., Rocchi A., Rolland L., Romano R., Rosinska D., Ruggi P., Sassolas B., Sentenac D., Sperandio L., Sturani R., Swinkels B., Tacca M., Taffarello L., Toncelli A., Tonelli M., Torre O., Tournefier E., Travasso F., Vajente G., Van den Brand J.F.J., Van Den Broeck C., Van der Putten S., Vasuth M., Vavoulidis M., Vedovato G., Verkindt D., Vetrano F., Vicere A., Vinet J.-Y., Vitale S., Vocca H., Ward R.L., Was M., Yvert M., Z adrozny A., Zendri J.-P. A state observer for the Virgo inverted pendulum // Review of Scientific Instruments. 2011. Vol. 82. No. 9. P. 094502. DOI: 10.1063/1.3637466
3. Masaki Ando, Koji Arai, Youichi Aso, Beyersdorf P., Kazuhiro Hayama, Yukiyoshi Iida, Nobuyuki Kanda, Seiji Kawamura, Kazuhiro Kondo, Norikatsu Mio, Shinji Miyoki, Shigenori Moriwaki, Shigeo Nagano, Kenji Numata, Shuichi Sato, Kentaro Somiya, Hideyuki Tagoshi, Hirotaka Takahashi, Ryutaro Takahashi, Daisuke Tatsumi, Yoshiki
Tsunesada, Zong-Hong Zhu, Tomomi Akutsu, Tomotada Akutsu, Akito Araya, Hideki Asada, Barton M.A., Youhei Fujiki, Masa-Katsu Fujimoto, Ryuichi Fujita, Mitsuhiro Fukushi-ma, Toshifumi Futamase, Yusaku Hamuro, Tomiyoshi Haruyama, Hideaki Hayakawa, Heinzel G., Gen'ichi HorikoshiHideo Iguchi, Kunihito Ioka, Hideki Ishitsuka, Norihiko Kamikubota, Takaharu Kaneyama, Yoshikazu Karasawa, Kunihiko Kasahara, Taketoshi Kasai, Mayu Katsuki, Keita Kawabe, Mari Kawamura, Nobuki Kawashima, Fumiko Kawazoe, Yasufumi Kojima, Keiko Kokeyama, Yoshihide Kozai, Hideaki Kudoh , Kazuaki Kuroda, Takashi Kuwabara, Namio Matsuda, Kazuyuki Miura, Osamu Miyakawa, Shoken Miyama, Hiromi Mizusawa, Mitsuru Musha, Yoshitaka Nagayama, Ken'ichi Nakaga-wa, Takashi Nakamura, Hiroyuki Nakano, Ken-ichi Nakao, Yuhiko Nishi, Yujiro Oga-wa, Masatake Ohashi, Naoko Ohishi, Akira Okutomi, Ken-ichi Oohara, Shigemi Otsuka, Yoshio Saito, Shihori Sakata, Misao Sasaki, Kouichi Sato, Nobuaki Sato, Youhei Sato, Hidetsugu Seki, Aya Sekido, Naoki Seto, Masaru Shibata, Hisaaki Shinkai, Takakazu Shintomi, Kenji Soida, Toshikazu Suzuki, Akiteru Takamori, Shuzo Takemoto, Kohei Takeno, Takahiro Tanaka, Keisuke Taniguchi, Shinsuke Taniguchi, Toru Tanji, Taylor C.T., Souichi Telada, Kuniharu Tochikubo, Masao Tokunari, Takayuki Tomaru, Kimio Tsubono, Nobuhiro Tsuda, Takashi Uchiyama, Akitoshi Ueda, Ken-ichi Ueda, Fumihiko Usui, Koichi Waseda, Yuko Watanabe, Hiromi Yakura, Akira Yamamoto, Kazuhiro Yamamo-to, Toshitaka Yamazaki, Yuriko Yanagi, Tatsuo Yoda, Jun'ichi Yokoyama, Tatsuru Yoshida. Observation results by the TAMA300 detector on gravitational wave bursts from stellar-core collapses // Physical Review D. 2005. Vol. 71. No. 8. Pp. 082002-1-082002-17. DOI: 10.1103/PhysRevD.71.082002
4. Grote H., Danzmann K., Dooley K.L., Schnabel R., Slutsky J., Vahlbruch H. First long-term application of squeezed states of light in a gravitational-wave observatory // Physical Review Letters. 2013. Vol. 110. No. 18. Pp. 181101-1-181101-5.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.110.181101
5. Fang-Yu Li, Meng-Xi Tang, Dong-Ping Shi. Electromagnetic response of a Gaussian beam to high-frequency relic gravitational waves in quintessential inflationary models // Physical Review D. 2003. Vol. 67. No. 10. P. 104008. DOI: 10.1103/PhysRevD.67.104008
6. Woods R.C., Baker R.M.L., Fang-Yu Li, Stephenson G.V., Davis E.W., Beckwith A.W. A new theoretical technique for the measurement of high-frequency relic gravitational waves // J. of Modern Physics. 2011. Vol. 2. No. 6. Pp. 498-518. DOI: 10.4236/jmp.2011.26060
7. Boyle L.A., Steinhardt P.J., Turok N. The cosmic gravitational-wave background in a cyclic universe // Physical Review D. 2004. Vol. 69. No. 12. P. 127302.
DOI: 10.1103/PhysRevD.69.127302
8. Sa P.M., Henriques A.B. Gravitational-wave generation in hybrid quintessential inflationary models // Physical Review D. 2010. Vol. 81. No. 12. P. 124043.
DOI: 10.1103/PhysRevD.81.124043
9. Nishizawa A., Motohashi H. Constraint on reheating afterf(R) inflation from gravitational waves // Physical Review D. 2014. Vol. 89. No. 6. P. 063541. DOI: 10.1103/PhysRevD.89.063541
10. Герценштейн М.Е., Пустовойт В.И. К вопросу об обнаружении гравитационных волн малых частот // Журнал экспериментальной и теоретической физики. 1962. Т. 43. Вып. 2(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(58). С. 26-35.
DOI: 10.18698/1812-3368-2015-1-26-35
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(20). 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. DOI: 10.18698/2308-6033-2012-5-203
14. Фомин И.В., Червон С.В., Морозов А.Н. Гравитационные волны ранней Вселенной. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2018. 154 с.
Radio Engineering
Radio Engineering, 2020, no. 03, pp. 35-49. DOI: 10.36027/rdeng.0320.0000172 Received: 06.04.2020
Information-Measuring Complex Development for Detecting High-frequency Gravitational Waves
I.S. Golyak1'2'*, A.N. Morozov1,2, A.L.Nazolin12, S.E. Tabalin1'2
1Center of Applied Physics Bauman Moscow State Technical University, Moscow, Russia 2Bauman Moscow State Technical University, Moscow, Russia
Keywords: synchronization system, Fabry-Perot interferometer, low-frequency optical resonance, gravitational-wave perturbations, high-frequency gravitational detectors
Currently, there are several international projects aimed at gravitational-wave detection, such as LIGO (USA), VIRGO (Italy, France), TAMA-300 (Japan), GEO 600 (Germany), etc. Within the framework of abovementioned projects, detectors were developed to detect gravitational waves of rare astrophysical events in the frequency range of 100 - 1000 Hz. Modern cos-mological theories predict the existence of high-frequency relic gravitational waves that appeared at the initial stage of the Universe formation. Their detection is possible owing to use of high-frequency gravitational detectors in the range of 105 - 1010 Hz.
An essential detector component is a system of control and data processing, which allows us to synchronise data from several independent detectors.
The paper describes an information-measuring complex to test a technique for detecting high-frequency fluctuations in the space-time metric and its main elements. The complex consists of two identical units based on the Fabry-Perot interferometer with highly reflective mirrors and a two-meter resonator. A solid-state Nd: YAG laser with a wavelength of X = 1064 nm is used as a pump laser. The DET10N2 InGaAs detector with a working spectral region of 500-1700 nm and an active region of 0.8 mm provides signal detection The synchronisation system described in the paper allows us to read data from several independent detectors with a minimum time delay and at the same time to bind the time of detection to the world one.
References
1. Abbott B.P., Abbott R., Adhikari R., Ajith P., Allen B., Allen G., Amin R.S., Anderson S.B., Anderson W.G., Arain M.A., Araya M., Armandula H., Armor P., Aso Y., Aston S., Aufmuth
üiyaaol^mail-ru
P., Aulbert C., Babak S., Baker P., Ballmer S., Barker C., Barker D., Barr B., Barriga P., Barsotti L., Barton M.A., Bartos I., Bassiri R., Bastarrika M., Behnke B., Benacquista M., Betzwieser J., Beyersdorf P.T., Bilenko I.A., Billingsley G., Biswas R., Black E., Blackburn J.K., Blackburn L., Blair D., Bland B., Bodiya T.P., Bogue L., Bork R., Boschi V., Bose S., Brady P.R., Braginsky V.B., Brau J.E., Bridges D.O., Brinkmann M., Brooks A.F., Brown D.A., Brummit A., Brunet G., Bullington A., Buonanno A., Burmeister O., Byer R.L., Cadonati L., Camp J.B., Cannizzo J., Cannon K.C., Cao J., Cardenas L., Caride S., Castaldi G., Caudill S., Cavagliá M., Cepeda C., Chalermsongsak T., Chalkley E., Charlton P., Chatterji S., Chelkowski S., Chen Y., Christensen N., Chung C.T.Y., Clark D., Clark J., Clayton J.H., Cokelaer T., Colacino C.N., Conte R., Cook D., Corbitt T.R.C., Cornish N., Coward D., Coyne D.C., Creighton J.D.E., Creighton T.D., Cruise A.M., Culter R.M., Cumming A., Cunningham L., Danilishin S.L., Danzmann K., Daudert B., Davies G., Daw E.J., DeBra D., Degallaix J., Dergachev V., Desai S., DeSalvo R., Dhurandhar S., Díaz M., Dietz A., Donovan F., Dooley K.L., Doomes EE., Drever R.W.P., Dueck J., Duke I., Dumas J.-C., Dwyer J.G., Echols C., Edgar M., Effler A., Ehrens P., Espinoza E., Etzel T., Evans M., Evans T., Fairhurst S., Faltas Y., Fan Y., Fazi D., Fehrmenn H., Finn L.S., Flasch K., Foley S., Forrest C., Fotopoulos N., Franzen A., Frede M., Frei M., Frei Z., Freise A., Frey R., Fricke T., Fritschel P., Frolov V.V., Fyffe M., Galdi V., Garofoli J.A., Gholami I., Giaime J.A., Giampanis S., Giardina K.D., Goda К., Goetz E., Goggin L.M., González G., Gorodetsky M.L., Goßler S., Gouaty R., Grant A., Gras S., Gray C., Gray M., Greenhalgh R.J.S., Gretarsson A.M., Grimaldi F., Grosso R., Grote
H., Grunewald S., Guenther M., Gustafson E.K., Gustafson R., Hage B., Hallam J.M., Hammer
D., Hammond G.D., Hanna C., Hanson J., Harms J., Harry G.M., Harry I.W., Harstad E.D., Haughian K., Hayama K., Heefner J., Heng I.S., Heptonstall A., Hewitson M., Hild S., Hirose
E., Hoak D., Hodge K.A., Holt K., Hosken D.J., Hough J., Hoyland D., Hughey B., Huttner S.H., Ingram D.R., Isogai T., Ito M., Ivanov A., Johnson B., Johnson W.W., Jones D.I., Jones G., Jones R., Ju L., Kalmus P., Kalogera V., Kandhasamy S., Kanner J., Kasprzyk D., Katsavounidis E., Kawabe K., Kawamura S., Kawazoe F., Kells W., Keppel D.G., Khalaidovski A., Khalili F.Y., Khan R., Khazanov E., King P., Kissel J.S., Klimenko S., Kokeyama K., Kondrashov V., Kopparapu R., Koranda S., Kozak D., Krishnan B., Kumar R., Kwee P., Lam P.K., Landry M., Lantz B., Lazzarini A., Lei H., Lei M., Leindecker N., Leonor I., Li C., Lin H., Lindquist P.E., Littenberg T.B., Lockerbie N.A., Lodhia D., Longo M., Lormand M., Lu P., Lubinski M., Lucianetti A., Lück H., Machenschalk B., MacInnis M., Mageswaran M., Mailand К., Mandel I., Mandic V., Márka S., Márka Z., Markosyan A., Markowitz J., Maros E., Martin
I.W., Martin R.M., Marx J.N., Mason K., Matichard F., Matone L., Matzner R.A., Mavalvala N., McCarthy R., McClelland D.E., McGuire S.C., McHugh M., McIntyre G., McKechan D.J.A., McKenzie К., Mehmet M., Melatos A., Melissinos A.C., Menéndez D.F., Mendell G., Mercer R.A., Meshkov S., Messenger C., Meyer M.S., Miller J., Minelli J., Y Mino Y., Mitrofanov VP., Mitselmakher G., Mittleman R., Miyakawa O., Moe B., Mohanty S.D., Mohapatra S.R.P., Moreno G., Morioka T., Mors K., Mossavi K., MowLowry C., Mueller G.,
Müller-Ebhardt H., Muhammad D., Mukherjee S., Mukhopadhyay H., Mullavey A., Munch J., Murray P.G., Myers E., Myers J., Nash T., Nelson J., Newton G., Nishizawa A., Numata K., O'Dell J., O'Reilly B., O'Shaughnessy R., Ochsner E., Ogin G.H., Ottaway D.J., Ottens R.S., Overmier H., Owen B.J., Pan Y., Pankow C., Papa M.A., Parameshwaraiah V., Patel P., Pedraza M., Penn S., Perraca A., Pierro V., Pinto I.M., Pitkin M., Pletsch H.J., Plissi M.V., Postiglione
F., Principe M., Prix R., Prokhorov L., Punken O., Quetschke V., Raab F.J., Rabeling D.S., Radkins H., Raffai P., Raics Z., Rainer N., Rakhmanov M., Raymond V., Reed C.M., Reed T., Rehbein H., Reid S., Reitze D.H., Riesen R., Riles K., Rivera B., Roberts P., Robertson N.A., Robinson C., Robinson E.L., Roddy S., Röver C., Rollins J., Romano J.D., Romie J.H., Rowan S., Rüdiger A., Russell P., Ryan K., Sakata S., Sancho de la Jordana L., Sandberg V., Sannibale V., Santamaría L., Saraf S., Sarin P., Sathyaprakash B.S., Sato S., Satterthwaite M., Saulson P R., Savage R., Savov P., Scanlan M., Schilling R., Schnabel R., Schofield R., Schulz B., Schutz B.F., Schwinberg P., Scott J., Scott S.M., Searle A.C., Sears B., Seifert F., Sellers D., Sengupta A.S., Sergeev A., Shapiro B., Shawhan P., Shoemaker D.H., Sibley A., Siemens X., Sigg D., Sinha S., Sintes A.M., Slagmolen B.J.J., Slutsky J., Smith J.R., Smith M.R., Smith N.D., Somiy K., Sorazu B., Stein A., Stein L.C., Steplewski S., Stochino A., Stone R., Strain K.A., Strigin S., Stroeer A., Stuver A.L., Summerscales T.Z., Sun K.-X., Sung M., Sutton P.J., Szokoly G.P., Talukder D., Tang L., Tanner D.B., Tarabrin S.P., Taylor J.R., Taylor R., Thacker J., Thorne K.A., Thüring A., Tokmakov K.V., Torres C., Torrie C., Traylor G., Trias M., Ugolini D., Ulmen J., Urbanek K., Vahlbruch H., Vallisneri M., Van Den Broeck C., Van der Sluys M.V., Van Veggel A.A., Vass S., Vaulin R., Vecchio A., Veitch J., Veitch P., Veltkamp C., Villar A., Vorvick C., Vyachanin S.P., Waldman S.J., Wallace L., Ward R.L., Weidner A., Weinert M., Weinstein A.J., Weiss R., Wen L., Wen S., Wette K., Whelan J.T., Whitcomb S.E., Whiting B.F., Wilkinson C., Willems P.A., Williams H.R., Williams L., Willke B., Wilmut I., Winkelmann L., Winkler W., Wipf C.C., Wiseman A.G., Woan G., Wooley R., Worden J., Wu W., Yakushin I., Yamamoto H., Yan Z., Yoshida S., Zanolin M., Zhang J., Zhang L., Zhao C., Zotov N., Zucker M.E., zur Mühlen H. and Zweizig J. LIGO: The laser interferometer gravitational-wave observatory. Reports on Progress in Physics, 2009, vol. 72, no. 7, p. 076901. DOI: 10.1088/0034-4885/72/7/076901
2. Accadia T., Acernese F., P Astone P., Ballardin G., Barone F., Barsuglia M., Basti A., Bauer Th.S., Bebronne M., Beker M.G., Belletoile A., Bitossi M., Bizouard M.A., Blom M., Bondu F., Bonelli L., Bonnand R., Boschi V., Bosi L., Bouhou B., Braccini S., Bradaschia C., Branchesi M., Briant T., Brillet A., Brisson V., Bulik T., Bulten H.J., Buskulic D., Buy C., Cagnoli G., Calloni E., Canuel B., Carbognani F., Cavalier F., Cavalieri R., Cella G., Cesarini E., Chaibi O., Chassande-Mottin E., Chincarini A., Chiummo A., Cleva F., Coccia E., Cohadon P.-F., Colacino C.N., Colas J., Colla A., Colombini M., Conte A., Corsi A., Coulon J.-P., Cuoco E., D' Antonio S., Dattilo V., Davier M., Day R., De Rosa R., Debreczeni G., Del Pozzo W., Del Prete M., Di Fiore L., Di Lieto A., Di Paolo Emilio M., Di Virgilio A., Dietz A., Drago M., Endroczi
G., Fafone V., Ferrante I., Fidecaro F., Fiori I., Flaminio R., Forte L.A., Fournier J.-D., Franc J.,
Frasca S., Frasconi F., Galimberti M., Gammaitoni L., Garufi F., Gâspâr M.E., Gemme G., Genin E., Gennai A., Giazotto A., Gouaty R., Granata M., Greverie C., Guidi G.M., Hayau J.-F., Heidmann A., Heitmann H., Hello P., Jaranowski P., Kowalska I., Krôlak A., Leroy N., Letendre N., Li T.G.F., Liguori N., Lorenzini M., Loriette V., Losurdo G., Majorana E., Maksimovic I., Man N., Mantovani M., Marchesoni F., Marion F., Marque J., Martelli F., Masserot A., Michel C., Milano L., Minenkov Y., Mohan M., Morgado N., Morgia A., Mours
B., Naticchioni L., Nocera F., Pagliaroli G., Palladino L., Palomba C., Paoletti F., Parisi M., Pasqualetti A., Passaquieti R., Passuello D., Persichetti G., Piergiovanni F., Pietka M., Pinard L., R Poggiani R., Prato M., Prodi G.A., Punturo M., Puppo P., Rabeling D.S., Râcz I., Rapagnani P., Re V., Regimbau T., Ricci F., Robinet F., Rocchi A., Rolland L., Romano R., Rosinska D., Ruggi P., Sassolas B., Sentenac D., Sperandio L., Sturani R., Swinkels B., Tacca M., Taffarello L., Toncelli A., Tonelli M., Torre O., Tournefier E., Travasso F., Vajente G., Van den Brand J.F.J., Van Den Broeck C., Van der Putten S., Vasuth M., Vavoulidis M., Vedovato G., Verkindt D., Vetrano F., Viceré A., Vinet J.-Y., Vitale S., Vocca H., Ward R.L., Was M., Yvert M., Z adrozny A., Zendri J.-P. A state observer for the Virgo inverted pendulum. Review of Scientific Instruments, 2011, vol. 82, no. 9, p. 094502. DOI: 10.1063/1.3637466
3. Masaki Ando, Koji Arai, Youichi Aso, Beyersdorf P., Kazuhiro Hayama, Yukiyoshi Iida, Nobuyuki Kanda, Seiji Kawamura, Kazuhiro Kondo, Norikatsu Mio, Shinji Miyoki, Shigenori Moriwaki, Shigeo Nagano, Kenji Numata, Shuichi Sato, Kentaro Somiya, Hideyuki Tagoshi, Hirotaka Takahashi, Ryutaro Takahashi, Daisuke Tatsumi, Yoshiki Tsunesada, Zong-Hong Zhu, Tomomi Akutsu, Tomotada Akutsu, Akito Araya, Hideki Asada, Barton M.A., Youhei Fujiki, Masa-Katsu Fujimoto, Ryuichi Fujita, Mitsuhiro Fukushi-ma, Toshifumi Futamase, Yusaku Hamuro, Tomiyoshi Haruyama, Hideaki Hayakawa, Heinzel G., Gen'ichi Horikoshi^, Hideo Iguchi, Kunihito Ioka, Hideki Ishitsuka, Norihiko Kamikubota, Takaharu Kaneyama, Yoshikazu Karasawa, Kunihiko Kasahara, Taketoshi Kasai, Mayu Katsuki, Keita Kawabe, Mari Kawamura, Nobuki Kawashima, Fumiko Kawazoe, Yasufumi Kojima, Keiko Kokeyama, Yoshihide Kozai, Hideaki Kudoh , Kazuaki Kuroda, Takashi Kuwabara, Namio Matsuda, Kazuyuki Miura, Osamu Miyakawa, Shoken Miyama, Hiromi Mizusawa, Mitsuru Musha, Yoshitaka Nagayama, Ken'ichi Nakaga-wa, Takashi Nakamura, Hiroyuki Nakano, Ken-ichi Nakao, Yuhiko Nishi, Yujiro Oga-wa, Masatake Ohashi, Naoko Ohishi, Akira Okutomi, Ken-ichi Oohara, Shigemi Otsuka, Yoshio Saito, Shihori Sakata, Misao Sasaki, Kouichi Sato, Nobuaki Sato, Youhei Sato, Hidetsugu Seki, Aya Sekido, Naoki Seto, Masaru Shibata, Hisaaki Shinkai, Takakazu Shintomi, Kenji Soida, Toshikazu Suzuki, Akiteru Takamori, Shuzo Takemoto, Kohei Takeno, Takahiro Tanaka, Keisuke Taniguchi, Shinsuke Taniguchi, Toru Tanji, Taylor
C.T., Souichi Telada, Kuniharu Tochikubo, Masao Tokunari, Takayuki Tomaru, Kimio Tsubono, Nobuhiro Tsuda, Takashi Uchiyama, Akitoshi Ueda, Ken-ichi Ueda, Fumihiko Usui, Koichi Waseda, Yuko Watanabe, Hiromi Yakura, Akira Yamamoto, Kazuhiro Yamamo-to, Toshitaka Yamazaki, Yuriko Yanagi, Tatsuo Yoda, Jun'ichi Yokoyama, Tatsuru Yoshida.
Observation results by the TAMA300 detector on gravitational wave bursts from stellar-core collapses. Physical Review D, 2005, vol. 71, no. 8, pp. 082002-1-082002-17. DOI: 10.1103/PhysRevD.71.082002
4. Grote H., Danzmann K., Dooley K.L., Schnabel R., Slutsky J., Vahlbruch H. First long-term application of squeezed states of light in a gravitational-wave observatory. Physical Review Letters, 2013, vol. 110, no. 18, pp. 181101-1-181101-5. DOI: 10.1103/PhysRevLett.110.181101
5. Fang-Yu Li, Meng-Xi Tang, Dong-Ping Shi. Electromagnetic response of a Gaussian beam to high-frequency relic gravitational waves in quintessential inflationary models. Physical Review D, 2003, vol. 67, no. 10, p. 104008. DOI: 10.1103/PhysRevD.67.104008
6. Woods R.C., Baker R.M.L., Fang-Yu Li, Stephenson G.V., Davis E.W., Beckwith A.W. A new theoretical technique for the measurement of high-frequency relic gravitational waves. J. of Modern Physics, 2011, vol. 2, no. 6, pp. 498-518. DOI: 10.4236/jmp.2011.26060
7. Boyle L.A., Steinhardt P.J., Turok N. The cosmic gravitational-wave background in a cyclic universe. Physical Review D, 2004, vol. 69, no. 12, p. 127302.
DOI: 10.1103/PhysRevD.69.127302
8. Sa P.M., Henriques A.B. Gravitational-wave generation in hybrid quintessential inflationary models. Physical Review D, 2010, vol. 81, no. 12, p. 124043.
DOI: 10.1103/PhysRevD.81.124043
9. Nishizawa A., Motohashi H. Constraint on reheating after f(R) inflation from gravitational waves. Physical Review D, 2014, vol. 89, no. 6, p. 063541. DOI: 10.1103/PhysRevD.89.063541
10. Gertsenshtein M.E., Pustovoit V.I. On the detection of low frequency gravitational waves. Soviet Physics JETP, 1963, vol. 16, no. 2, pp. 433-435.
11. Esakov A.A., Morozov A.N., Tabalin S.E., Fomin I.V. Application of low-frequency optical resonance for detection of high-frequency gravitational waves. Vestnik MGTU im. N.E. Baumana. Estestvennye nauki [Herald of the BMSTU. Natural Sciences], 2015, no. 1(58), pp. 26-35. DOI: 10.18698/1812-3368-2015-1-26-35 (in Russian)
12. Golyak Il.S., Dvoruk S.K., Esakov A.A., Morozov A.N., Pustovoit V.I., Strokov M.A., Tabalin S.E. Development and creation model to registration high-frequency gravitational waves. Fizicheskie osnovypriborostroeniia [Physical Bases of Instrumentation], 2016, vol. 5, no. 3(20), pp. 40-47 (in Russian).
13. Morozov A.N. Fabry - Perot interferometer application for recording high-frequency fluctuations of space-time metrics. Inzhenernyj zhurnal: nauka i innovatsii [Engineering J.: Science and Innovation], 2012, no. 5, p. 24. DOI: 10.18698/2308-6033-2012-5-203 (in Russian)
14. Fomin I.V., Chervon S.V., Morozov A.N. Gravitatsionnye volny rannej Vselennoj [Gravitational waves of the early Universe]. Moscow: BMSTU Publ., 2018. 154 p. (in Russian).
