Methodenartikel

Die Generation von höherer Ordnung Laguerre-Gauss optischen Strahlen für Präzisions-Interferometrie

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DOI:

10.3791/50564

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12. August 2013

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1School of Physics and Astronomy, University of Birmingham

In diesem Artikel

Zusammenfassung

Große Laser-Interferometer werden gebaut, um eine neue Art der Astronomie auf Basis von Gravitationswellen zu schaffen. Ihre Empfindlichkeit nähert sich, wie bei vielen anderen hochpräzisen Experimenten, fundamentalen Rauschgrenzen wie der atomaren Schwingung ihrer Bauteile. Wir sind Vorreiter bei Technologien, um diese Grenzen mit neuartigen Laserstrahlformen zu überwinden.

Zusammenfassung

Thermisches Rauschen in hohem Reflexionsvermögen Spiegel ist ein großes Hindernis für verschiedene Arten von hochpräzisen interferometrischen Experimenten, um den Standard Quantenlimit erreichen oder mechanische Systeme, um ihre Quanten Grundzustand zu kühlen wollen. Dies ist zum Beispiel der Fall der künftigen Gravitationswellenobservatorien, dessen Empfindlichkeit gegenüber Gravitationswellen-Signale wird voraussichtlich im empfindlichsten Frequenzbereich begrenzt werden, durch atomare Schwingung ihrer Spiegel Massen. Ein vielversprechender Ansatz verfolgt, um diese Beschränkung zu überwinden, ist höherer Ordnung Laguerre-Gauss (LG) optischen Strahlen anstelle des üblicherweise verwendeten Grundmode beschäftigen. Aufgrund ihrer homogenere Lichtverteilung diese Strahlen durchschnittlich mehr effektiv über den thermisch angetrieben Schwankungen der Spiegelfläche, was wiederum die Unsicherheit in den Spiegel Position erfaßt durch das Laserlicht.

Wir zeigen eine vielversprechende Methode zur Erzeugunghöherer Ordnung LG Strahlen durch Formen eines grundlegenden Gaußschen Strahl mit Hilfe von diffraktiven optischen Elementen. Wir zeigen, dass mit herkömmlichen Mess-und Regeltechnik, die zur Stabilisierung fundamentalen Laserstrahlen bekannt sind, höherer Ordnung LG Modi gereinigt werden kann und genauso gut auf einem vergleichsweise hohen Niveau stabilisiert. Eine Reihe von Diagnose-Tools ermöglicht es uns, zu kontrollieren und Schneider die Eigenschaften der erzeugten LG Balken. Dies ermöglichte es uns, ein LG Strahl mit höchster Reinheit bis heute berichtet produzieren. Die nachgewiesene Verträglichkeit höherer Ordnung LG Modi mit Standard-Interferometrie Techniken und mit der Verwendung von Standard-sphärische Optik macht sie zu einem idealen Kandidaten für den Einsatz in einer künftigen Generation von hochpräzisen Interferometrie.

Einleitung

In den vergangenen Jahrzehnten hochpräzisen interferometrischen Experimente wurden auf eine ultimative Empfindlichkeit Regime, wo Quanteneffekte beginnen, eine entscheidende Rolle spielen geschoben werden. In dieser laufenden und zukünftigen Experimenten, wie Laserkühlung von mechanischen Oszillatoren 1, optische Fallen für Spiegel 2, Generation verstrickt Testmassen 3, quantum non-Abriss Interferometrie 4, Frequenz Stabilisierung von Lasern mit starren Hohlräumen 5 und Gravitationswellendetektion 6 , 7, 8, Forscher stehen vor einer Vielzahl von einschränkenden fundamentalen und technischen Lärmquellen. Eines der schwerwiegendsten Probleme ist das thermische Rauschen der Resonatorspiegel der interferometrischen Konfigurationen, die durch die thermische Anregung der Atome, aus denen die Spiegelträger und der Spiegel reflektierende Beschichtungen 7, 8, 9 verursacht wird. Dieser Effekt ist auch als Brownsche Bewegung, verursacht eine Unsicherheit in der Phasedas reflektierte Licht von allen Test-Massen und wird daher offenbar als eine grundlegende Lärmbegrenzung im Interferometer-Ausgang. Zum Beispiel wird das projizierte Design Empfindlichkeit von fortschrittlichen Gravitationswellen-Antennen, wie Advanced LIGO, Advanced JUNGFRAU, und dem Einstein-Teleskop, durch diese Art von Lärm in den empfindlichsten Bereich der Beobachtung Frequenzband 10, 11, 12 begrenzt.

Experimentalphysiker in der Gemeinschaft hart zu arbeiten in einem kontinuierlichen Bemühungen um diese Geräusche Beiträge zu minimieren und die Empfindlichkeit ihrer Instrumente zu verbessern. In dem besonderen Fall der Spiegel Brownsche Rauschen ist ein Verfahren zur Abschwächung eine größere Punktgröße des aktuell verwendeten Standard grundlegende HG 00 Strahls auf die Probemasse Oberflächen eingesetzt, da ein größerer Strahl beträgt effektiver über die zufällige Bewegung der Oberfläche 13, 14. Die spektrale Leistungsdichte des Spiegels thermisches Rauschen hat sich gezeigt, mit Skaladie Umkehrung der Gaußschen Strahl Größe für den Spiegelträger und umgekehrt proportional zum Quadrat der Spiegelfläche 9. Da jedoch die Lichtflecken gebildet werden größer, wird ein größerer Teil der Lichtleistung über die Kante der reflektierenden Oberfläche hat. Wenn man einen Träger verwendet mit einer homogeneren radiale Intensitätsverteilung als die üblicherweise verwendeten HG 00 abgelesen werden (siehe z. B. Figur 1) kann die Brownsche thermischen Rauschpegel ohne Erhöhung dieser Art von Verlust reduziert werden. Unter allen homogener Strahl-Typen, die für neue Versionen von hochpräzisen Interferometrie vorgeschlagen worden, zum Beispiel Balken oder Mesa konischen Moden 13, 14, sind die vielversprechendsten höherer Ordnung LG Strahlen aufgrund ihrer potentiellen Kompatibilität mit dem derzeit verwendeten sphärischen Spiegelflächen 15. Zum Beispiel, die Erkennungsrate von binären Neutronenstern in Spiralsysteme - erkennen, welche die vielversprechendsten astrophysikalischen Quellen betrachtet werden für eine erste GWIonen - konnte um etwa einen Faktor von 2 oder mehr 16 auf Kosten einer minimalen Änderungen in der Gestaltung der zweiten Generation Interferometer im Bau 10, 11 verbessert werden. Neben den thermischen Rauschens Vorteile, die breiter Intensitätsverteilungen höherer Ordnung LG Balken (siehe als Beispiel 2) gezeigt wurde, dass die Größe der thermischen Aberration von Optiken innerhalb der Interferometer zu mildern. Dies würde den Umfang, in dem thermische Vergütungssysteme auf in zukünftigen Experimenten herangezogen werden, um zu erreichen Design Empfindlichkeiten 19.

Wir haben untersucht und erfolgreich demonstriert die Machbarkeit der Erzeugung LG Balken auf der Ebene der Reinheit und Stabilität erforderlich, um erfolgreich zu betreiben GW Interferometer zum besten ihrer Empfindlichkeit 16, 18, ​​19, 20, 21, 22. Das vorgeschlagene Verfahren kombiniert Techniken und Know-how in den verschiedensten Bereichen der Physik und Optik erfolgreich entwickelth als die Erzeugung hoher Stabilität, strahlt rauscharmen Einmodenlaser 23, die Verwendung von räumlichen Lichtmodulatoren und diffraktiven optischen Elementen zur Beeinflussung der räumlichen Profile der Lichtstrahlen 18, 22, 24, 25, 26, und die Verwendung von fortgeschrittenen Techniken für die Erfassung, Überwachung und Stabilisierung der resonanten optischen Kavitäten 27, die auf eine weitere Reinigung und Stabilisierung des Laserlichts. Diese Methode wurde erfolgreich in den Laborexperimenten nachgewiesen, exportiert für Tests in großem Maßstab Prototyp-Interferometer 20 und zum Erzeugen LG Modi bei hohen Laserleistungen bis zu 80 W 21. In diesem Artikel präsentieren wir die Details des Verfahrens zum Erzeugen höherer Ordnung LG Balken und diskutieren eine Methodik für die Charakterisierung und Validierung der resultierende Strahl. Ferner wird in Schritt 4 ein Verfahren zur numerischen Untersuchungen von Hohlräumen mit nicht perfekter Spiegel 19 skizziert.

Protokoll

Vorbemerkung: In diesem Protokoll Abschnitt nehmen wir an, dass eine reine, geräuscharm, Leistung stabilisiert Grundmode Gaußschen Strahl vorgesehen ist, zum Beispiel mittels Standard-Setup, wie in 3 gezeigt enthält: Kommerzielle Nd: YAG-Laser zur Erzeugung kontinuierlicher Infrarot-Licht bei 1064 nm Wellenlänge; einem Faraday-Isolator (FI) zu Back-Reflexion des Lichts in Richtung der Laserquelle zu vermeiden und einen elektro-optischen Modulator (EOM) zur Modulation der Phase des Lichts. Der resultierende Strahl wird in eine dreieckige optische Kavität, wobei der Laser-Frequenz und die Lichtleistung durch aktive Regelkreise 27 stabilisiert injiziert werden, während der Hohlraumresonator bietet räumliche Filterung für unerwünschte Strahlform.

Das Setup oben beschrieben und in Abbildung 3 dargestellt ist eine herkömmliche experimentelle Anordnung, die in der wissenschaftlichen Apparaturen verwendet wird anspruchsvolle rauscharme Laser Stabilisierung für PräzisionMessungen 1-8. Das Protokoll folgende Abschnitt beschreibt, wie diese Grundmode Gaußstrahl effizient in eine höhere Ordnung Laguerre-Gauss-Typ optischen Strahls mit vergleichbaren Leistungen umgewandelt werden, wenn nicht identisch, in Bezug auf Reinheit, Rauschen und Stabilität. Dies wird durch die Vorrichtung nach Fig. 4, dessen Konstruktion, Bau und Betrieb wird in den folgenden Abschnitten beschrieben gezeigt ist, implementiert. In diesem Beispiel in dieser Arbeit präsentierte die erzeugten Modus wird ein LG 33 sein. Es ist jedoch zu betonen, dass die Technik allgemeine Gültigkeit hat und dass die beschriebenen Protokoll zu jedem gewünschten höherer Ordnung LG Modus gilt.

1. Planung und Prototyping der optischen Mode Converter für optimale Umsetzung der Grundmode Laserstrahl in Higher Order LG Beams

Die Forderung nach einer Phasenmodulation Profil einen Grundmode Strahl in eine höhere Ordnung LG Strahl umzuwandeln, um die Phase cro replizierenss-Abschnitt der gewünschten LG-Modus, der durch einen proportionalen Phasenverschiebung auf die Wellenfront des einfallenden Strahls 26 eingeprägt wird. Zwei Arten von mode-Wandler arbeiten in dieser Weise: Spatial Light Modulators (SLM) - Computer-gesteuerte Flüssigkristall-Displays, deren Pixel kann zum Impressum Phase gesteuert werden Verschiebungen auf das einfallende Licht - und diffraktiven Phasenplatten - geätzte Glas-Substraten, wo die gewünschte Phasenverschiebungen sind bei der Übertragung von der absichtlich variierenden Dicke des Glaselements hergestellt. SLM sind flexibel, aber mangelnde Stabilität und Effizienz, während die Phase Platten stabil und effizient, aber nicht flexibel sind. Daher empfehlen wir die Verwendung des SLM für erste Studien und Prototypen und die Verwendung einer Phase Platte für langfristige Operationen.

Optimale Umwandlung beruht auf der genauen Wahl der Parameter (Taille Größe und Position) des Strahls geformt werden. Deshalb vor der Injektion auf eine Modenwandlers, sei der anfängliche Grundmodebin muss gekennzeichnet werden, und ihre Parameter neu gestaltet, um diejenigen bietet optimale Umsetzung entsprechen - dieser Vorgang wird als "Modenanpassung '.

  1. Nehmen Sie den Strahl von der fundamentalen Mode Setup in Abbildung 3 beschrieben.
  2. Verwenden Sie einen Beam Profiler mit Echtzeit-Bildanalyse-Software, um den Strahl Radius entlang des optischen Pfades messen ausgestattet. Sobald eine ausreichende Menge von Radien erworben worden ist (in der Regel mindestens 10 Datenpunkte für eine gute Qualität Ergebnis erforderlich), passen die gemessenen Radien und extrahieren Sie die Strahltaille Größe und seiner Position.
  3. Stellen Sie den gewünschten Wert des Radius für den Strahl an der Umwandlung Punkt. Verwenden Sie große Strahl in der Größenordnung von wenigen mm, um das volle Ausmaß der Phase Wandler-Bereich verwenden.
  4. Wählen Sie eine Reihe von Linsen und ihre Standorte entlang der optischen Pfad, der wieder in Form des einfallenden Strahls Parameter (Taille Größe und Position) wird in die gewünschten diejenigen. Für Zwecke der Ausrichtung ist es zweckmäßig, den Modenwandler Stelle eint die Taille des einfallenden Strahls.
  5. Die Schritte 1.2 und 1.4 durch aufeinanderfolgende Einstellungen der Linse Positionen, bis die gewünschten Strahlparameter für Modenkonversion erhalten worden sind.
  6. Positionieren des SLM Modenwandler entlang der eingehenden Strahlengang, und spritzen den Strahl auf die SLM. Für eine reflektierende Typ SLM empfehlen wir mit einem kleinen Einfallswinkel, der Ordnung 5 Grad oder weniger. Große Einfallswinkel würde Astigmatismus in der erzeugten Strahl verursachen, brechen die LG-Modus Zylindersymmetrie.
  7. Übernehmen Sie die Phase Profil der SLM Flüssigkristall-Display - eine Phase Querschnitt des gewünschten höherer Ordnung LG Strahl umgewandelt werden. Die Phasenmodulation Profil des LG 33-Modus, der gerade für die Anwendung in Zukunft GW Detektoren 16 untersucht wird, wird in dem Beispiel in 5 gezeigt.
  8. Wählen Sie die entsprechende Phase Muster (die Größe des Strahls entsprechend der Phase-Muster), basierend auf der Größe der Injektionted Strahl. Tabelle 1 enthält eine Liste der optimalen Strahl Größenverhältnisse für LG Modi bis zur Ordnung 9, abgeleitet mit numerischen Simulationen 28. Alternativ finden die optimale Strahl Bildgrößenverhältnisses experimentell durch Variieren der Größe der Phasenmodulation, die an den SLM und Analyse der Bilder des resultierenden Strahls.
  9. Beobachten des reflektierten Strahls von der SLM mit einer CCD-Kamera in einem Abstand von einem oder mehreren Rayleigh reicht vom SLM. Richten des SLM, um die Symmetrie des Strahls Bild auf der CCD zu optimieren.

Im Zusammenspiel mit der Phase Modulationsvorrichtung, bleibt ein Teil des eingekoppelten Lichts unmodulierten aufgrund der Quantisierung der Phasenmodulation Ebenen. Das nicht umgesetzte Licht breitet sich entlang der gleichen Achse des umgesetzten Strahls, verderben die gewünschte Phasenmodulation Wirkungen. Um dieses Problem zu umgehen, kann man ein Blaze-Gitter-Profil auf der LG-Modus Umbauphase Bild überlagern. Das modulierte licht Tragen des LG-Modus Phase Profil wird durch die Blaze-Gitter abgelenkt werden, während die unmodulierte Licht, das nicht mit dem Substrat in Wechselwirkung tritt, wird ungestört ablaufen. Dies führt dazu, eine räumliche Trennung zwischen den beiden Arten von Strahlen.

  1. Überlappung ein flammendes Struktur der Phase Profil zuvor auf dem SLM generiert. Für LG-Modi mit azimutalen Index l> 0, wird die Phase Muster haben eine "gespaltene Gitter 'charakteristisch, wie in dem Beispiel in Abbildung 6 zu sehen.
  2. Optimieren der Kerbwinkel, dass der Beugungswinkel in der ersten Ordnung größer ist als der Divergenzwinkel des Strahls ist. Fortsetzen, bis ein angemessener Abstand zwischen höheren Beugungsordnungen gefunden wird (mit einem Abstand zwischen den äußeren Ringen der aufeinanderfolgenden Strahlen so groß wie der Durchmesser der äußeren Ringe selbst).
  3. Sobald eine optimale Umsetzung Muster erreicht wird, um die Herstellung der Phasenplatte fortzufahren. Diese sind im Handel AvalLabel und hergestellt, um eine breite Palette von kundenspezifischen Anforderungen angepasst werden. Die Ergebnisse während des Optimierungsprozesses mit dem SLM erhalten, um die optimale Phase-Wandlung Muster definieren, um auf die Phase Platte geätzt werden. Optional Schritt: Anwenden einer Anti-Reflex-Beschichtung auf mindestens einer der Oberflächen der Phasenplatte zur Streuung des Lichts zurück in die Laserquelle und Dispersion der Lichtleistung zu minimieren.

2. Der Betrieb der Phase Teller, Conversion-Modus und Reinheit Enhancement

  1. Ersetzen des Raumlichtmodulators mit der Phase Platte. Wie für den SLM, ist es zweckmäßig, ihn an der Taille des eingespritzten Grundmode Strahl umgewandelt werden, zu positionieren.
  2. Richten der Phasenplatte zur ersten Strahl, so dass die Phase Platte senkrecht zu dem Strahl ist und der Strahl in bezug auf die Phasen-Struktur zentriert.
  3. Propagieren die Strahlen durch die Phase Platte bis zur Trennung der höheren Unterschied übertragenraction Bestellungen auftritt. Beams können leicht sichtbar mit einem Strahl Karte.
  4. Wenn eine ausreichend "gut" Trennung erreicht wird (wie in Schritt 1.12), verdeckt die höheren Beugungsordnung Strahlen mit einer Öffnung auf der Beugungsordnung zentriert.

Die Unfähigkeit der diskutierten Phasenplatte Designs zu modulieren Amplitude als auch Phase bedeutet, dass sie nicht konvertieren gesamten eingehenden Grundträger in den gewünschten Modus. Das Ergebnis ist eine zusammengesetzte Strahl mit einer dominanten gewünschten LG Strahls über dem Hintergrund der anderen Moden höherer Ordnung von geringer Intensität, wie in 7 gezeigt. Um räumlich Ausfiltern unerwünschter LG Modi und zur Verbesserung der Reinheit Modus kann der umgesetzten Strahls in eine optische resonante Kavität eingespritzt werden. Eine solche Vertiefung kann als "Betriebsartenschalter" so dass nur spezifische optische Moden übertragen werden, abhängig von der Resonatorlänge relativ zu der Licht-Wellenlänge arbeiten.

  1. Gestalten Sie das mode sauberer Hohlraum. Für die Einfachheit der Implementierung verwendet eine Zwei-Spiegel-Kavität linearen Konfiguration, wie in Fig. 4, bei dem einer der Spiegel flach ist (in der Regel der Eingang Spiegel) und der andere Spiegel (Ausgang) konkav gezeigt. Dies bietet optische Stabilität und Einfachheit der Umsetzung. Eine konkrete Ausgestaltung, die gut funktioniert, ist eine, wo der Krümmungsradius der Auskoppelspiegel ist 1 m und der Abstand zwischen dem Spiegel reflektierende Oberflächen 21 cm 29. In diesem Fall ist die optimale Eingangsstrahl Radius etwa 365 um an der Taille, an der reflektierenden Oberfläche des flachen Spiegels.
  2. Wählen Sie die Kavität Spiegelreflektivitäten um die Finesse des Hohlraums zu bestimmen. Verwenden Sie eine niedrige Finesse um einige hundert, um eine gute Unterdrückung unerwünschter Modenordnungen ohne dabei große Verzerrungen aufgrund der Kopplung mit degenerierten Modi (siehe Schritt 4). Es ist am besten, Spiegel mit gleichen Reflexionsvermögen nutzen, um den Hohlraum zu maximieren.
  3. Verwenden Sie ein rigid Abstandshalter als Unterstützung für die zwei Hohlraum spiegelt die Immunität von mechanischen Schwingungen zu verbessern. Klebstoff die Spiegel auf dem Abstandshalter und dazwischen einen piezoelektrischen Ringelement zwischen einem der beiden Spiegel und dem Abstandshalter für mikroskopische Änderungen der Resonatorlänge für Längserstreckung Steuerung und Stabilisierung ermöglichen.
  4. Modus-Spiel des von der Phasenplatte in den Modus Reiniger Hohlraum Eigenmodi erzeugt. Breite Profilierung eines LG Strahl kann nicht ausgeführt werden mit den gleichen Werkzeugen für die Grundmode Strahlen verwendet werden, daher notieren Sie die Intensität des Strahls mit einer CCD-Kamera an verschiedenen Stellen entlang der Strahlengang gestellt und analysieren die aufgezeichneten Bilder mit maßgeschneiderten Einbau Skripten, die die dominante gewünschte LG Modus erkennen und schätzen den Strahlradius an der angegebenen Position 30 kann. Ein Beispiel für diese Strahlintensitätsprofil Anpassungsverfahren ist in 8 gezeigt.
  5. Sobald eine ausreichende Menge von Strahldurchmessern hat seinen gemessen (in der Regel mindestens 10 Datenpunkte für eine gute Qualität Ergebnis erforderlich), passen die gemessenen Radien und extrapolieren die Strahltaille Durchmesser und seine Lage. Ein gutes Strahlprofil wird wie in Abbildung 9 dargestellt aussehen. Wie in 1.2 und 1.4 wählen Linsen und wiederholen Sie den Vorgang in 2.7, 2.8 und 2.9 beschrieben, bis die optimale Strahl Größe und Lage zu finden sind. Sobald Modenanpassung erreicht, spritzen die erzeugten Strahls in den Modus Reiniger Hohlraum, sicher zu sein, dass die reflektierende Oberfläche des Eingangs (flach) Spiegel richtig an der Taille des injizierten Strahls befindet.
  6. Optimieren der Ausrichtung des injizierten Strahls in den Hohlraum, während das Scannen der Resonatorlänge durch Bewegen des Spiegels mit dem Piezo und Überwachen des gesendeten Strahls.
  7. Verwenden der Messungen des von der Modus-Reiniger Hohlraum in Abhängigkeit von der Resonatorlänge (auch als Hohlraum Scans), um den Modus Inhalt des LG Strahls durch die Phasenplatte erzeugt untersuchen übertragen, und Evantually Beurteilung der Wirkungsgrad der Phasenplatte sich.
  8. Identifizieren Sie die relevanten parasitären Modi über Inspektion der CCD-Aufnahmen. Bewerten Sie die Macht solcher Modi über ihre Amplitude im Photodiodensignal und berechnen den genauen Modus Gehalt der gesamten Strahl. Die Messergebnisse und die genaue Modus-Inhalte können mit reproduziert werden und im Vergleich zu 21 numerische Simulationen. Ein gutes Beispiel für diese Analyse ist in 10 gegeben, und die Modus-Gehalt Ergebnisse sind in Tabelle 2 dargestellt.

Sobald die optimale Ausrichtung des Strahls in den Modus Reiniger Hohlraum erreicht worden ist, und der Modus Inhalt des injizierten Strahl analysiert wurde, "Modus-Reinigung" und die Verbesserung der Reinheit des zusammengesetzten Strahl schließlich LG umgesetzt werden. Ein Pfund-Drever-Hall-Sperrschema 27 kann verwendet werden, um den Hohlraum zu der gewünschten Länge Resonanzwellentyps stabilisieren. Das von dem Modus Reiniger ca. übertragenvität kann durch eine Fotodiode, die das Fehlersignal die für die Regelschleife, die den Hohlraum Länge Steuerungseinrichtungen gelesen werden können.

  1. Sperren der Resonatorlänge zu den wichtigsten Resonanz und die Aufnahme von Bildern von dem Profil des resultierenden Strahls durch den Hohlraum mit der CCD-Kamera, um die erzeugten Strahl zu diagnostizieren und zu qualifizieren seiner Reinheit übertragen.

3. Diagnose und Charakterisierung der erzeugten LG Breite

In diesem Experiment bestimmen im Wesentlichen zwei, die Qualität eines "guten" Strahl für die erfolgreiche Umsetzung in hochpräzisen interferometrischen Messungen: die Strahlkraft und den Strahl Reinheit. Weitere relevante Eigenschaften, wie die Frequenz oder die Leistung Stabilität erhalten unter Verwendung der gleichen Techniken auf der Grundmode Strahl eingeführt, wie oben beschrieben.

  1. Messen der Strahlleistung LG mittels eines Lasers Leistungsmesser. Achten Sie auf die Balken Clipping: LG ein Strahl hat eine größere Verlängerungsion mit einem herkömmlichen Gaußstrahl verglichen und es kann die Abmessung des empfindlichen Bereich für die meisten kommerziellen Geräten überschreiten. Höchste Kräfte sind natürlich empfohlen.
  2. Beurteilung der Reinheit des erzeugten LG Strahl durch Vergleich mit einer theoretischen Strahlprofil. Um dies zu tun, nehmen Sie ein Bild von der Strahlungsintensität mittels der CCD-Kamera-Profiler und ihre Strahlradius, zur Ableitung der theoretischen Strahl Amplitude Profil, um das gemessene eins mit zu vergleichen. Bewerten Sie die Reinheit über das Quadrat des inneren Produkts figure-protocol-1 zwischen der theoretischen und der gemessenen Amplitude Distributionen. Hohe Reinheiten werden empfohlen.

Zwei wichtige Kenngrößen sind nützlich, um die Qualität des gesamten Modus Umwandlungsprozess zu bewerten: die Wirkungsgrade der Phase Platte und des gesamten Aufbaus.

  1. Um die convers bewertenion Effizienz der Phase Platte, folgen Sie den Hohlraum-Scan-Vorgang bei den Schritten 2.11 und 2.12 beschrieben.
  2. Bewerten Sie den Wirkungsgrad des gesamten Setup als das Verhältnis zwischen der Leistung des erzeugten gewünschten LG vs Strahl der Macht des injizierten Grundmode Gaußstrahl. Hohe Wirkungsgrade sind natürlich erwünscht.

4. Injektion in Groß Interferometer: Simulation Investigation

Eine Anwendung dieses Protokolls ist es LG Balken für ihre Verwendung in Gravitationswellendetektoren untersuchen. Dies sind Long Baseline Interferometer hoher Präzision. Die Baseline erfordert relativ große Spiegel und Strahl Größen. Dies ist jedoch verstärkt die Wirkung von unvollkommenen Optik, insbesondere bei Verwendung von Moden höherer Ordnung. Dieser Abschnitt beschreibt eine Simulation basierten Ansatz, um das Verhalten von höherer Ordnung LG Modi in realistischen Detektoren zu untersuchen.

  1. Wählen Simulationstool Lichtfelder in einer interferomet modellierener um Moden höherer Ordnung LG testen. Die Simulationssoftware sollte in der Lage sein, um die Auswirkungen von Fehlern in der Einrichtung (Fehlausrichtung Modus-Fehlanpassung Spiegelkrümmung Fehler, usw.) von der Art Inhalt des Strahls zu modellieren. Ein Beispiel ist das Simulationstool FINESSE 28.
  2. Richten Sie ein Modell einer realen Detektor unter Verwendung des ausgewählten Simulationswerkzeug. Im Falle von Advanced LIGO Dies ist ein Dual recycelten Michelson-Interferometer mit Fabry-Perot-Kavitäten Arm. Der Zweck dieser erste Simulationen ist die Zuverlässigkeit des Modells zu überprüfen, vorausgesetzt perfekte Optik.
  3. Testen Sie das Modell mit perfekten Grundmode Balken. Um die Zuverlässigkeit des zu validieren, sollte dies für die Wiedergabe einer Liste von experimentellen Verfahren, die in der realen Detektor durchgeführt, wie erlauben: Fehlersignale und prüft den erwarteten Zahlen wie die Kraft in den umlaufenden Arm Hohlräume Hohlraum Scans und Winkel-und Längsführung des Interferometers und der Subsystems über Sensing and Control Systeme. Weitere Simulationen sollte die Reaktion des Interferometers zu einem Gravitationswellensignal. Sobald die Simulationen durchgeführt werden, wie erwartet, kann das Modell höherer Ordnung für LG Modi angepasst werden.
  4. Testen Sie das Modell mit perfekten LG33 Strahlen: Passen Sie das Design-Interferometer auf die Verwendung von LG-Modi. Dies erfordert die Reduzierung der Strahlgröße auf dem Resonatorspiegel, die durch Änderung der Krümmungsradien der Spiegel erreicht werden kann. Sobald das Modell hat für die LG-Modus angepasst worden, so sind die Tests in 4.3 durchgeführt mit dem neuen Eingang Strahl wiederholt werden. Für den Fall der perfekten Optik sollten die Ergebnisse sehr ähnlich zu denen mit HG 00 (siehe z. B. 19).

Der Einsatz von Strahlen höherer Ordnung führt eine "Entartung" zu den optischen Hohlräume gibt es verschiedene Formen Strahl kämpfen um die Vorherrschaft. Ein optisches Hohlraumresonanzfrequenz für einen Gauß-Modus ist für alle Arten der Resonanz dieser Reihenfolge.Ein HG00-Modus ist der einzige Modus der Ordnung 0, so dass alle anderen Modi unterdrückt werden. Zum Beispiel kann der LG 33 Modus einer von zehn Moden der Ordnung 9 ist, werden alle in dem Interferometer verbessert werden. Spiegelfläche Verzerrungen, die immer vorhanden sind in realen Interferometer könnte der Vorfall Paar-Modus in anderen. Wenn diese neuen Modi sind in der gleichen Größenordnung wie der einfallende Strahl sie in den Arm Hohlräume verbessert, was zu stark verzerrten umlaufenden Strahlen. Dies kann schließlich verschlechtern die Empfindlichkeit des Instruments.

  1. Richten Sie eine realistische Interferometer Modell: Integrieren realistische Daten über die Oberfläche Figuren der Hohlraum Spiegel. Diese Daten nimmt die Form einer "Landkarte" der Eigenschaften der Spiegelfläche, wie geometrische Höhe oder Reflektivität, sehen Sie ein Beispiel für die Advanced LIGO Spiegel in Abbildung 11. Nach Einbeziehung dieser Effekte sollte die Leistung des Modus höherer Ordnung untersucht, insbesondere in werdenBezug auf den Kontrast Defekt am Detektorausgang und die Möglichkeit mehrere Nulldurchgänge in Fehlersignale. In diesen Bereichen werden die Moden höherer Ordnung voraussichtlich schlechter ab als HG 00.
  2. Simulieren Subsysteme: Um besser zu verstehen, die Entartung Effekte im Modell simulieren das Subsystem, in dem die Entartung stammt zum Beispiel die Fabry-Perot Arm Hohlräume in Advanced LIGO. Simulationen dieser Teilsysteme ergeben sollte Hohlraum Scans und Fehlermeldungen für eine beliebige Frequenz Spaltung und Nachweis des zirkulierenden Feld, das in Bezug auf seine Inhalte-Modus analysiert werden können identifizieren.
  3. Spiegel Anforderungen: Leiten strengere Anforderungen an die Ebenheit der Spiegelflächen in dem Fall, dass die Ergebnisse von Schritt 4.6 eine unannehmbar hohe Frequenz-Splitting oder Leistung in den anderen Modi, die machen die Umsetzung höherer Ordnung LG strahlt unmöglich zeigen würde. Dafür analysieren die direkte Inter-Kopplung um durch solche verursachteine Fläche, die numerisch erreicht werden kann oder über eine analytische Näherung 19. Verwenden Sie diese Methode, um eine bestimmte Form, die Spiegel verursacht große Mengen der Kopplung zwischen dem Eingang Strahl und Moden der gleichen Reihenfolge zu identifizieren. Durch den Vergleich dieser Ergebnisse mit den Simulationen schätzen die entsprechende Anforderungen für diese Formen in einem bestimmten umlaufenden Strahl Reinheit. Schließlich simulieren die Full-Scale-Modell-Interferometer mit Spiegel Karten geändert werden, um die neuen Spezifikationen, welche die Verbesserung im Gegensatz Mangels und Frequenzaufspaltung.

Ergebnisse

Alle bisher im Text beschriebenen und in den Abbildungen gezeigten experimentellen Ergebnisse stellen ein repräsentatives Beispiel für eine erfolgreiche Durchführung des Strahlumwandlungsprotokolls dar. Das aussagekräftigste Ergebnis ist die Reinheit des erzeugten Strahls: Eine erfolgreiche Strahlumwandlung sollte zu einer Strahlreinheit in der Größenordnung von 95 % oder höher führen. Ein gutes Beispiel für eine erfolgreiche Strahlumwandlung ist die Messung des Intensitätsprofils eines 82,8 Watt starken, 96 % reinen LG33-Strahls, der in 21 erhalten wurde und hier in Abbildung 12 gezeigt ist.

Ebenso sind, wie in den Protokollabschnitten erörtert, die Modenkonversionseffizienzen der Phasenplatte und des gesamten experimentellen Aufbaus ein guter Indikator für die erfolgreiche Konstruktion der experimentellen Apparatur, einschließlich der Phasenplatte und des Modenreinigungsresonators. Werte im Bereich von 50 % bis 60 % und darüber gelten im Allgemeinen als gute Werte für die Modenkonversionseffizienz. Die bisher höchste mit dieser Art von Aufbau berichtete Konversionseffizienz liegt bei etwa 70 % 21.

Die in Protokollabschnitt 4 beschriebene Simulation untersucht die Strahlreinheit bei realistischen Spiegeln, schlägt Spiegelvorgaben vor und zeigt die resultierende Strahlreinheit, wenn diese Vorgaben berücksichtigt werden. Ein Beispiel für die erwartbaren Ergebnisse mit realistischen Spiegelkarten wird in 19 gezeigt, wobei eine ursprüngliche LG33-Reinheit von 89 % erzielt wird, verglichen mit einer Reinheit von >99 % für HG00. Eine Reinheit von >99 % für den LG33-Modus wird durch spezifische Spiegelanforderungen erreicht, die eine erhebliche Verringerung der Astigmatie auf der Spiegeloberfläche bewirken.

Diagramm der optischen Resonanzmoden; horizontale/vertikale Modenindizes, physikalische Forschungsanalyse
Abbildung 1. Intensitätsmuster für Hermite-Gauß-Moden (HG-Moden) bis zur Ordnung 6. Die Intensitätsmuster sind so normiert, dass sie dieselbe maximale Intensität aufweisen, um die Sichtbarkeit zu verbessern.

Wirbelstrahl-Intensitätsmuster; Diagramm der azimutalen und radialen Modenindizes, optische Wirbelanalyse.
Abbildung 2. Intensitätsmuster für helikale LG-Moden bis zur Ordnung 9. Die Intensitätsmuster sind so normiert, dass sie dieselbe Spitzenintensität aufweisen, um die Sichtbarkeit zu verbessern.

Laseranordnungsschema mit EOM, Faraday-Isolator für optische Anregung und Emissionsanalyse.
Abbildung 3. Skizze einer herkömmlichen Anordnung zur Erzeugung und Stabilisierung von HG00-Strahlen.

Optisches Aufbaudiagramm mit Phasenplatte, Servo und CCD zur Strahlmodulation und -analyse.
Abbildung 4. Eine Skizze des in dieser Arbeit besprochenen experimentellen Aufbaus. Der HG00-Strahl wird zunächst mittels eines Teleskops an eine gewünschte Strahltaille angepasst und anschließend auf die Phasenplatte gelenkt. Der Hauptbeugungsstrahl wird mithilfe einer Blende von den höheren Beugungsordnungen getrennt und danach in den Modenreiniger-Resonator eingekoppelt. Eine Photodiode dient zur Gewinnung des Fehlersignals zur Regelung der Resonatorlänge. Die Strahlintensität wird mit einer CCD-Kamera analysiert.

Phasenmodulationsdiagramm mit Darstellung der Phasenplattenpositionen; x-y-Achse, relative Phasenmodulationsskala.
Abbildung 5. Phasenmodulationsprofil zur Umwandlung eines HG00-Modus in einen LG33-Modus.

Phasenmodulationsmuster, Interferenzdiagramm, Phasenplattenanalyse, optischer Aufbau.
Abbildung 6. Beispiel für gezackte Phasenmodulationsprofile zur Erzeugung von LG33-Modi.

Vergleich des Interferenzmusters: gemessen vs. theoretisch; Wellenoptik; Beugungsuntersuchung.
Abbildung 7. Vergleich zwischen der Intensitätsverteilung des durch die Phasenplatte erzeugten zusammengesetzten Strahls (links) und der theoretischen Intensitätsverteilung für einen reinen LG33-Strahl mit denselben Parametern.

Analyse des Beugungsmusters; dargestellte Daten, Anpassung und Residuen; Ergebnisse der visuellen Spektralanalyse
Abbildung 8. Beispiel der Anpassung des Strahlintensitätsprofils an einen realen LG33-Strahl, übertragen von einer Phasenplatte (links), verglichen mit den Anpassungsergebnissen (Mitte) und den Residuen der Anpassung (rechts). Klicken Sie hier, um die Abbildung in größerer Ansicht anzusehen.

Analyse eines Laguerre-Gauß-Strahls; Graph der Position gegenüber dem Strahlradius; Vergleich der Datenanpassung; optische Untersuchung
Abbildung 9. Profil eines LG33-Strahls mit dargestellter Gauß-Anpassung zum Vergleich.

Diagramm der Hohlraumabtastung mit Messdaten, LG33-Anpassung, numerisches Modell; PD-Auslesung im Vergleich zur FSR.
Abbildung 10. Lichtleistung, die von einem linearen Hohlraum in Abhängigkeit von der Hohlraumlänge übertragen wird, bei Einstrahlung eines durch die Phasenplatte erzeugten Strahls. Die Resonanzspitzen bei 0 und 1 FSR entsprechen dem gewünschten LG33-Modus. Zur Vergleichsdarstellung ist eine Anpassung an diesen dominanten Modus dargestellt (blaue Linie). Die rote Kurve zeigt das Ergebnis des numerischen Modells basierend auf dem in Tabelle 2 beschriebenen Modusanteil. Abbildungen der unerwünschten Strahlen, die durch den Hohlraum ausgefiltert werden sollen, sind in den Einlagen dargestellt.

3D-topografische Höhenkarte, farbcodierte Daten, Analyse von Nanostrukturen, als Diagramm visualisiert.
Abbildung 11. Ein Beispiel einer Spiegeloberflächenkarte für einen der optischen Spiegel von Advanced LIGO 19.

Analyse des Strahlprofils; Anpassung an LG33; Intensitätsverteilung; optisches Diagramm; Residuenplot.
Abbildung 12. Intensitätsprofil eines 82,8 W starken LG33-Strahls, der von einem linearen Resonator übertragen wird (links), verglichen mit den Anpassungsresiduen (rechts).

pl0123456789
01,02,81,72,02,22,52,63,13,03,2
11,72,72,22,42,62,82,92,8  
22,22,42,52,72,93,0    
32,52,72,83,0      
42,93,0        

Tabelle 1. Optimumverhältnis zwischen der Eingangs-HG00-Strahlgröße und der LGpl-Phasenbild-Strahlgröße für LG-Moden bis zur Ordnung 9.

ModusLG33LG63LG43LG53LG32LG62
Leistung75%8%4%4%4%1%

Tabelle 2. Modeninhaltanalyse, beschrieben durch den in Abbildung 10 gezeigten Hohlraumscan.

Diskussion

Die Ausgangsstrahlen der meisten Laser, die bei hochpräzisen Messungen verwendet werden, sind so konzipiert, dass sie eine Form haben, die sich gut als fundamentale Gaußsche Mode beschreiben lässt. Diese spezielle Strahlgeometrie kombiniert eine geringe Beugung mit einer sphärischen Wellenfront. Während die geringe Beugung einer der Hauptvorteile des Laserlichts ist, ist die sphärische Wellenfront ebenso wichtig, da sie eine verlustarme Umwandlung des Laserstrahls durch optische Standardkomponenten mit sphärischen Oberflächen ermöglicht. Es können auch verschiedene Strahlformen erzeugt werden, und in jüngster Zeit sind Laguerre-Gauß-Strahlen für ihre potenzielle Anwendung in der hochpräzisen Interferometrie interessant geworden.

In diesem Artikel haben wir das experimentelle Verfahren zur Erzeugung von Laguerre-Gauß-Moden höherer Ordnung mit 95% Reinheit für hochleistungsfähige, ultrastabile Laserstrahlen demonstriert. Um dies zu erreichen, haben wir Standardtechniken aus verschiedenen Aspekten der optischen Forschung kombiniert, nämlich diffraktive Phasenplatten und Laser-Vorstabilisierung, um Resonatoren zu modifizieren. Unser Experiment bietet eine einfache, modulare und sehr zuverlässige Methode zur Erzeugung von Hochleistungsstrahlen in benutzerdefinierten Moden höherer Ordnung. Als Lichtquelle wird ein handelsüblicher ultrastabiler Laser verwendet. Sein Ausgang wird in eine diffraktive Phasenplatte eingespeist, die bis zu 75 % des Lichts in den gewünschten Laguerre-Gauß-Modus umwandeln kann. Dieses Licht wird dann in einen kleinen optischen Resonator injiziert und eine elektronische Rückkopplungsschleife wird verwendet, um die Laserfrequenz des Lasers auf die Kavitätenlänge zu stabilisieren. Der durch den Resonator übertragene Strahl befindet sich zu 95 % im gewünschten Modus und weist wie der Grundmodenstrahl am Ursprung des Aufbaus eine sehr gute Frequenzstabilität bei Audiofrequenzen auf. Alle Teile stellen Standardkomponenten in modernen optischen Experimenten dar. Wir haben diese Technik erfolgreich für Laserleistungen bis zu 80 W reinen Laguerre-Gauss-33-Modus demonstriert.

Es könnte möglich sein, ähnliche Ergebnisse zu erzielen, indem die Phasenplatte durch ein anderes modenkonvertierendes Element ersetzt wird (z. B. andere diffraktive Elemente oder astigmatische Modenwandler). Alternativ könnte ein Laser mit einem optischen Resonator aufgebaut werden, der auf die gewünschten Laguerre-Gauß-Moden abgestimmt ist, beispielsweise unter Verwendung einer Amplitudenmaske. Schließlich könnte die Laserfrequenzstabilisierung zum optischen Referenzresonator durch ein ähnliches Schema ersetzt werden, das eine atomare Referenz verwendet. Die Notwendigkeit eines elektronischen Rückkopplungssystems ist wahrscheinlich der Hauptnachteil, aber dies ist für jede Lichtquelle, die für Präzisionsinterferometer verwendet wird, unvermeidlich.

Wir glauben jedoch, dass das in diesem Artikel gezeigte Verfahren ein einfaches und modulares Schema bietet, das auf alle Bereiche der erforderlichen Laserfrequenz, -leistung oder -form skaliert werden kann und somit ein leistungsfähiges und vielseitiges Verfahren darstellt. Jedes Teil, die Laserquelle, das diffraktive Element sowie der optische Resonator können individuell verändert oder optimiert werden, so dass auch bestehende Laserinjektionssysteme auf den Laguerre-Gauß-Modus umgerüstet werden können.

Offenlegungen

Autoren haben nichts offenzulegen.

Danksagungen

Diese Arbeit wurde vom Science and Technology Facilities Council (STFC) finanziert.

Materialien

Alle oben genannten Instrumente sind kommerziell erhältlich und es sind keine besonderen Spezifikationen erforderlich. Die Wahl der am besten geeigneten Instrumente überlassen wir dem Experimentator." s Ermessen.Tools
Liste der in diesem Artikel verwendeten Materialien
NameUnternehmenKatalognummerKommentare
Die experimentelle Apparatur, die in diesem Artikel besprochen wird, erfordert die folgenden Arten von Instrumenten:
Instrument
Festkörper-Laserquelle, Nd:YAG 1064 nm CW LaserMenge: 1
Faraday-IsolatorMenge: 1
Elektrooptischer Modulator (EOM)Menge: 1
CCDkamera-StrahlprofilerMenge: 1
ObjektiveMenge: je nach Geräteausführung
Lenkspiegel<strong>Menge: je nach Geräteausführung
BlendeMenge: 1
Spiegel mit hohem Reflexionsvermögen (für normalen Einfall)Menge: 2
Piezoelektrischer RingMenge: 1
HohlraumspacerMenge: 1
Fotodioden und zugehörige SteuerelektronikMenge: 1 oder mehr, je nach Geräteausführung
Räumlicher LichtmodulatorMenge: 1
Holoeye LCR-2500<
Für den Experimentator, der an der Reproduktion des Protokolls interessiert ist, empfehlen wir die folgenden Werkzeuge, die in unserem Experiment verwendet wurden:<
Innolight OEM 300NE, 1064 nm, 300 mWLaserquelle:
SIMTOOLsSoftware für die Datenanalyse, verfügbar unter www.gwoptics.org/simtools/FINESSE
Software für optische Simulationen, www.gwoptics.org/finesse/
Schließlich wurde die im vorliegenden Experiment verwendete Phasenplatte von der Jenoptik GmbH hergestellt, basierend auf einem von den Autoren zur Verfügung gestellten Sonderanfertigung.
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