La generazione di ordine superiore Laguerre-Gauss fasci ottici ad alta precisione Interferometria

L'obiettivo generale di questa procedura è quello di generare fasci ottici di lag di ordine superiore ad alta purezza per l'uso nell'interferometria ad alta precisione. Ciò si ottiene progettando e prototipando prima il modello di conversione di fase ottimale per convertire un fascio ottico di modo fondamentale in un modo più alto o de desiderato utilizzando un convertitore di modalità modulatore di luce spaziale, quindi producendo un convertitore di piastra di fase basato sui risultati della prototipazione. Il secondo passo consiste nell'iniettare un raggio laser in modalità fondamentale sulla piastra di fase prodotta per produrre un raggio a bassa purezza.

Il fascio prodotto viene accuratamente profilato, abbinato ai nuovi parametri desiderati per mezzo di lenti da iniettare infine nella cavità del pulitore in modalità lineare. Successivamente, la cavità del pulitore in modalità lineare funziona come selettore di modalità per il raggio iniettato. Il blocco del pulitore in modalità lineare consente di separare la modalità gilgo desiderata dalle modalità indesiderate residue, rifiutandole e aumentando infine la purezza complessiva della modalità del raggio generato.

Il passo finale è quello di progettare gli specchi necessari per le prestazioni desiderate della modalità Lega GARS in un rivelatore in scala reale. Ciò si ottiene simulando i sottosistemi del rivelatore e riducendo alcune forme nelle superfici degli specchi fino a raggiungere le prestazioni desiderate. In definitiva, l'analisi del profilo di intensità del raggio generato viene utilizzata per valutarne la purezza.

Il vantaggio principale di questa tecnica rispetto ai metodi esistenti è che consente di generare un fascio stabile ad alta purezza. Ciò consente anche un alto grado di adattabilità all'interno della configurazione sperimentale. Sebbene questo metodo possa fornire miglioramenti nell'esecuzione di misure interferometriche ad alta precisione, può anche essere applicato a tutte le aree della scienza, come la microscopia per la lavorazione dei materiali, i sensori di movimento, la biologia e altro ancora.

Abbiamo avuto l'idea di questo metodo dopo aver letto in letteratura sulla conversione di modo utilizzando piastre di fase e modulatori di luce spaziale. Ci siamo resi conto immediatamente che se avessimo applicato la tecnica di pulizia dei modi, saremmo stati in grado di migliorare notevolmente la purezza dei modi che generiamo in questo modo. Dopo lo sviluppo di questa tecnica, i ricercatori nel campo del rilevamento delle onde gravitazionali sono stati in grado di esplorare l'applicazione dei fasci di gas Leger nelle configurazioni.

Rappresentativo degli interferometri a onde gravitazionali, compresi i prototipi di interferometri su larga scala e l'utilizzo di sistemi laser ad alta potenza, il primo passo è generare un raggio gian in modalità fondamentale stabilizzato a bassa rumorosità pura. I dettagli di questa configurazione sono nel manoscritto. Utilizza un profilatore di fascio con software di analisi delle immagini in tempo reale per misurare il raggio del fascio lungo il percorso ottico e raccogliere almeno 10 punti dati, adattare i raggi misurati ed estrarre la dimensione e la posizione del raggio al centro.

Quindi, selezionare e posizionare le lenti lungo il percorso ottico per rimodellare le dimensioni e la posizione del fascio vitale. Dirigere il fascio nel modulatore di luce spaziale posizionato al centro del fascio per facilitare l'allineamento per un modulatore di luce spaziale di tipo riflettente. Regolare l'angolo di incidenza su cinque gradi o meno per evitare l'astigmatismo nel raggio generato.

Ora applica il profilo di fase del fascio GU più alto o più grande desiderato al display a cristalli liquidi del modulatore di luce spaziale utilizzando il programma informatico dedicato mostrato qui è il profilo di modulazione di fase della modalità AL tre tre da creare in questo esperimento. Questa è l'immagine così come appare sul modulatore di luce spaziale. Se visualizzato con il polarizzatore, in base alle dimensioni del raggio iniettato, selezionare la fase appropriata.

La dimensione del modello ora si sovrappone a una struttura sfolgorante al profilo di fase sul modulatore di luce spaziale. Il riquadro in basso a sinistra mostra inizialmente il fascio con solo il modello di conversione di fase a destra applicato al modulatore di luce spaziale con l'applicazione di un modello di sfolgorante al profilo di fase: la luce con il profilo di leggos è separata dalla luce senza ottimizzare l'angolo di sfolgorazione per produrre un angolo di diffrazione nel primo ordine che è maggiore dell'angolo di divergenza del raggio. Utilizzare i dati sul modello di conversione ottimale per produrre una piastra di fase per sostituire il modulatore di luce spaziale.

È conveniente posizionare la piastra di fase alla vita del fascio di modalità fondamentale iniettato da convertire. Posizionare una telecamera CCD dietro la piastra di fase per facilitare l'allineamento. Monitorare l'uscita della telecamera per allineare attentamente la piastra di fase in modo che sia perpendicolare al raggio iniziale e che il raggio sia centrato rispetto alla struttura di fase.

Utilizzare una scheda del raggio per determinare dove i raggi si trasmettevano attraverso la piastra di fase. Ottenere una buona separazione degli ordini di diffrazione più elevati. Una volta fatto ciò, oscurare i raggi di ordine superiore con un'apertura centrata sull'ordine di diffrazione principale.

Assicurarsi che l'apertura abbia i risultati desiderati. Procedere costruendo una cavità di pulizia della modalità da posizionare dove verrà iniettata la trave dei leggos. Scegli gli specchi per la cavità.

Selezionare il distanziatore rigido per supportarli e un elemento ad anello elettrico pieto per consentire regolazioni microscopiche della lunghezza della colla della cavità. Gli specchi sul distanziatore e l'elemento ad anello piezoelettrico interposto tra uno degli specchi e il distanziatore con la cavità del pulitore di modalità in posizione e la sua geometria La modalità definita abbinava il raggio generato dalla piastra di fase all'uovo della cavità in modalità per profilare il fascio Legge GOs registrano la sua distribuzione di intensità con una telecamera CCD in diverse posizioni lungo il percorso del raggio. Per profilare il fascio Legge Gouss, registrare la sua distribuzione di intensità con una telecamera CCD in diverse posizioni lungo il percorso del fascio.

Posizionare le lenti e ripetere le misurazioni fino a trovare la dimensione e la posizione ottimali del raggio. Ora varia la lunghezza della cavità spostando lo specchio con il cristallo elettrico piso. Ottimizza l'allineamento del raggio iniettato nella cavità monitorando il raggio trasmesso visto nel monitor.

Utilizzate le misure della luce trasmessa dal pulitore di modalità mostrato qui nella traccia rossa in funzione della lunghezza della cavità, che è mostrata nella traccia gialla per indagare il contenuto di modalità al fascio di leggo generato dalla piastra di fase. Ora ispeziona più attentamente le immagini CCD e identifica le modalità parassite. Qui vengono mostrati i profili dei fasci dei modi parassiti mentre vengono attraversati i loro picchi.

Valuta la potenza di queste modalità utilizzando il segnale dei fotodiodi e calcola l'esatto contenuto della modalità del raggio complessivo. I risultati misurati e il contenuto esatto della modalità possono essere riprodotti con e confrontati con le simulazioni numeriche, come mostrato qui. Continuare attivando l'anello di controllo per bloccare la lunghezza della cavità alla voce principale, registrare le immagini del profilo del raggio risultante trasmesso dalla cavità con la telecamera CCD per diagnosticare il raggio prodotto.

Misurare la potenza del raggio leggos con un misuratore di potenza laser È necessario prestare attenzione per evitare che i raggi leggo superino le dimensioni dell'area sensibile della maggior parte degli strumenti commerciali. Utilizzare una telecamera CCD per misurare l'intensità del raggio. Utilizzare una routine di adattamento per trovare i parametri del file teorico del profilo della trave.

Valutare la purezza del fascio calcolando il prodotto interno al quadrato delle distribuzioni di ampiezza teoriche e misurate. Gli specchi utilizzati in esperimenti interferometrici su larga scala come il ligo avanzato sono ottiche incredibilmente lisce e all'avanguardia che sono state progettate per l'uso della modalità fondamentale dell'ordine superiore. Le modalità AL richiedono requisiti più severi che vengono determinati attraverso simulazioni.

In questo caso, inizia scegliendo uno strumento di simulazione. Finezza per questo video. L'avanzato interferometro Michelson a doppio ciclo LIGO con cavità del braccio di Perot fbri mostrato qui è modellato.

Preparare l'input di finezza del modello, quindi testarlo con i fasci di modo fondamentale e convalidarne l'affidabilità. Adatta il file finesse per la modalità LG tre tre. Avendo cura di modificare la configurazione per dare una dimensione del fascio simile alla modalità fondamentale.

Ripetere i test utilizzando queste travi. I risultati dovrebbero essere molto simili a quelli della modalità fondamentale. Ora impostate un modello di interferometro realistico che incorpori i dati sulle figure superficiali degli specchi della cavità.

Indaga e confronta le prestazioni della modalità zero zero gaussiana eremita e delle modalità legian di ordine superiore, ad esempio, rilevando il campo alla porta scura. Si prevede che le modalità di ordine superiore avranno prestazioni peggiori. La degenerazione modale che provoca fasci distorti che fuoriescono nella porta di rilevamento per studiare gli effetti di degenerazione presenti in questo modello simula le cavità del braccio di Perot fbri in cui ha origine la degenerazione.

Utilizza i dati di queste simulazioni per identificare le modalità indesiderate nel raggio circolante e qualsiasi suddivisione di frequenza. In questa parte del video, la mappa della superficie dello specchio è mostrata in basso a sinistra e un contenuto polinomiale Zer in basso a destra delle forme della superficie dello specchio che causano un accoppiamento significativo tra il raggio di ingresso e i modi dello stesso ordine sono regolati per ottenere una maggiore purezza del raggio circolante. Il profilo del fascio è mostrato in alto a sinistra e la sua potenza in alto a destra.

In questo caso, alla fine si raggiunge il 99% di purezza della modalità di circolazione. La mappa speculare finale rappresenta i requisiti speculari per la modalità leggos e può essere utilizzata nelle simulazioni dell'interferometro a grandezza naturale per testare i miglioramenti delle prestazioni. Questo è il profilo di intensità del fascio modale fondamentale utilizzato come input per il sistema che è stato convertito con successo in questa legge Gauss tre tre raggi.

Nell'esempio mostrato qui, che mostra i risultati pubblicati nel riferimento 21. Utilizzando questo metodo, è stato generato un fascio lagal tre di 82,8 watt e 96% di purezza. Un senso della purezza di questo raggio può essere visto in questo grafico dei residui adatti per questa modalità.

Una volta padroneggiata, questa tecnica può essere eseguita in poche settimane se viene eseguita correttamente dalla progettazione al completamento dell'apparato. Tentando questa procedura, si dovrebbe prestare la massima attenzione alla loro progettazione e al rimodellamento preliminare di questo setup sperimentale e alla scelta e alla qualità dei componenti ottici. Generalmente l'individuo è nuovo a questo metodo, avrà difficoltà con la progettazione, la caratterizzazione e l'allineamento della sezione modale di ordine superiore dell'apparato.

Dopo aver visto questo video, dovresti avere una buona comprensione di come creare un ordine superiore come un modo di trasmissione per l'uso e l'interferometria ad alta precisione. Non dimenticare che i laser funzionanti possono essere estremamente pericolosi e che durante l'esecuzione di questa procedura è necessario prendere sempre precauzioni come indossare occhiali di sicurezza laser certificati.