[论文解读] Probing squeezing for gravitational-wave detectors with an audio-band field

D. Ganapathy, Victoria Xu+6 more|arXiv (Cornell University)|Mar 8, 2022

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 32被引用 7

一句话总结

本文提出了一种音频诊断场（ADF），以实现实时、原位探测引力波探测器中频率依赖的压缩效应。通过与压缩光共传输一个低频音频边带，ADF使得本振检测能够快速表征压缩退化和系统响应——该方法已在16米滤波腔上实验验证，并在300米先进LIGO滤波腔上进行了仿真，从而实现对下一代探测器中量子噪声抑制的快速优化。

ABSTRACT

Squeezed vacuum states are now employed in gravitational-wave interferometric detectors, enhancing their sensitivity and thus enabling richer astrophysical observations. In future observing runs, the detectors will incorporate a filter cavity to suppress quantum radiation pressure noise using frequency-dependent squeezing. Interferometers employing internal and external cavities decohere and degrade squeezing in complex new ways, which must be studied to achieve increasingly ambitious noise goals. This paper introduces an audio diagnostic field (ADF) to quickly and accurately characterize the frequency-dependent response and the transient perturbations of resonant optical systems to squeezed states. This analysis enables audio field injections to become a powerful tool to witness and optimize interactions such as inter-cavity mode matching within gravitational-wave instruments. To demonstrate, we present experimental results from using the audio field to characterize a 16 m prototype filter cavity.

研究动机与目标

• 开发一种实时诊断工具，用于探测引力波探测器复杂光学系统中的压缩退化。
• 克服传统方法需要模式切换和长时间平均时间的局限性。
• 实现在正常探测器运行期间对压缩性能的连续监测。
• 支持下一代探测器（如先进LIGO）中使用滤波腔实现频率依赖压缩。
• 提供一种可扩展的方法，用于优化谐振光学系统中腔间模式匹配和瞬态响应。

提出的方法

• 在主载波附近以小的音频频率偏移注入音频诊断场（ADF），与压缩光共传输。
• 通过检测ADF的本振检测提取音频频率下的实部和虚部正交分量。
• 采用相干锁定场（CLF）进行相位稳定，使ADF在OPO线宽内工作，以模拟压缩场行为。
• 使用耦合模理论和传递函数建模ADF响应，将检测信号与光学系统参数关联。
• 推导出ADF幅度和相位的解析表达式，以腔往返增益和相位表示，实现对系统参数的定量表征。
• 在16米原型滤波腔上实验验证该方法，并对300米先进LIGO滤波腔进行性能仿真。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何在不干扰正常探测器运行的前提下，实现实时探测谐振光学系统中的压缩退化？
• RQ2 检测到的ADF信号与底层光学系统响应（包括相位噪声和模式匹配误差）之间有何关系？
• RQ3 ADF方法在多大程度上能准确表征量子滤波腔的频率依赖响应？
• RQ4 ADF方法能否检测并量化影响压缩传播的瞬态扰动？
• RQ5 在具有复杂频率依赖压缩特性的大规模引力波探测器中，ADF方法的预期性能如何？

主要发现

• ADF方法实现了对谐振光学系统中压缩响应的实时、原位表征，避免了模式切换或长时间平均的需求。
• 在16米滤波腔上的实验结果表明，测量的ADF响应与理论预测高度一致，验证了该方法的准确性。
• ADF信号的幅度和相位与腔的往返增益和相位直接相关，从而可定量推断系统参数。
• 对300米先进LIGO滤波腔的仿真结果表明，ADF能够以高保真度解析频率依赖的压缩响应。
• 该方法成功检测并表征了影响压缩的光学系统瞬态扰动，从而实现更快的优化。
• ADF提供了一种可扩展的诊断工具，可用于未来引力波探测器中优化腔间模式匹配和压缩性能。