Почему лучевые трубки LIGO такие широкие?

Луч LIGO составляет 200 Вт, генерируемый входным модовым очистителем; затем луч многократно повторяется в руках, что значительно увеличивает плотность мощности. Для этого требуется большая оптика с почти идеальным покрытием, чтобы избежать повреждения «горячей/холодной точки» от различных типов возможных дефектов.

Но есть и дополнительная причина для большого размера луча, и я цитирую из Advanced LIGO , раздел 2.1: « Чтобы уменьшить тепловой шум тестовой массы, размер луча на тестовых массах делается максимально большим, чтобы он усреднялся по больше поверхности зеркала.Доминирующим механизмом шума здесь являются механические потери в диэлектрических покрытиях зеркал, для которых масштабы теплового шума смещения обратно пропорциональны размеру луча.Это уменьшение теплового шума уравновешивается увеличением потерь на апертуре и снижением стабильности моды при больших лучах. "

Осмотр оптики LIGO на наличие загрязнений.

Когда я был аспирантом в начале 1990-х, мы работали над чрезвычайно чувствительными, неразрушающими методами, основанными на нелинейной оптике, которые могли бы найти дефекты покрытия: местоположение и классификация. Наш детектор сканировал поверхность и регистрировал изменения амплитуды и фазы на основе фототермического эффекта, поэтому я всегда лично заинтересован в успехе LIGO; в конце концов, они помогли оплатить мой путь!

См . лазер LIGO здесь .

ЛИГО Хэнфорд.

Это, должно быть, было осознанным конструктивным соображением, поскольку это означает, что необходимо поддерживать гораздо больший объем вакуума.

Хотя я не думаю, что именно это мотивировало LIGO, в высоком вакууме объем не так важен, как площадь поверхности. После откачки камеры предельный уровень вакуума определяется скоростью десорбции/дегазации молекул, прилипших к стенкам камеры.

Но все же, скажете вы, большая камера имеет большую площадь поверхности, чем меньшая.

Скорость, с которой молекулы остаточного газа откачиваются, частично определяется площадью поперечного сечения: чем больше площадь, тем быстрее молекулы будут диффундировать вокруг насоса и «попадать» в него. Скорость потока на самом деле пропорциональна диаметру в кубе [википедия] .

Отношение площади поверхности к объему меньше для больших камер, а это означает, что при заданной скорости дегазации на единицу площади поверхности плотность молекул газа в камере ниже.

Короче говоря, в больших камерах легче добиться лучшего вакуума, чем в меньших.

Тем не менее, в конечном итоге есть компромиссы, которые ограничивают размер камеры — например, вам все еще нужны насосы большего размера. На БАК они должны иметь криогенные и магнитные обмотки вокруг пути луча, которые невозможно сделать намного больше.

Некоторые дополнительные причины, не упомянутые в других ответах:

• Потери на отсечении: гауссовы лучи спадают экспоненциально, поэтому любая трубка конечного размера вызовет небольшую потерю мощности. Типичным правилом проектирования при создании оптической схемы таких приборов является то, что из-за конечных размеров апертуры теряется не более 1 части на миллион света. Для Advanced LIGO радиус луча на концевых зеркалах составляет 6 см, а диаметр зеркал — 34 см .

• Рассеянный свет : интерферометры LIGO настолько чувствительны, что измеряют расстояние между сейсмически изолированными зеркалами. Однако из-за несовершенства оптики часть света будет рассеиваться из основного луча, попадая на вибрирующую вакуумную трубку и возвращаясь обратно в луч, что приводит к нежелательным изменениям фазы света. Это один из технических источников шума, от которого действительно трудно избавиться. В качестве меры предосторожности по всей длине трубы расположены поглощающие перегородки. Они занимают незначительное количество места.

• Несовершенства прямолинейности трубы : например, интерферометр Virgo расположен очень близко к городу, который в основном известен зданием, которое погружается в землю . За последние ~15 лет вакуумная труба и поддерживающие здания в некоторых местах просели на целых 10 см. Этот эффект отслеживается каждый год, и трубка поднимается, когда ее становится слишком много, но для этого нужен небольшой запас.

• Работа с более чем одним интерферометром в одной и той же трубе : в LIGO Hanford два интерферометра первоначально работали бок о бок внутри одного и того же вакуумного корпуса: H1 , который использовал полные 4 км обоих рукавов, и H2 , который имел 2 км руки, с торцевыми зеркалами, подвешенными на станции на полпути вдоль трубы. Идея заключалась в том, что два совмещенных прибора могут дать некоторые преимущества при анализе данных (например, построение сигнала нулевого потока , который не содержал бы сигнала гравитационных волн, но показывал бы технические помехи). На практике это оказалось не так полезно, как они надеялись. Для Advanced LIGO первоначальная идея заключалась в установке двух 4-километровых интерферометров .параллельно внутри той же трубки, но они передумали и « пожертвовали » оптику Индии, чтобы построить INDIGO .