고정밀 간섭에 대한 높은 순서 Laguerre-가우스 광학 빔의 생성

이 절차의 전반적인 목표는 고정밀 간섭계에 사용하기 위해 고순도에서 고차 지연 광학 빔을 생성하는 것입니다. 이는 먼저 공간 광 변조기 모드 변환기를 사용하여 기본 모드 광학 빔을 원하는 상위 또는 de 모드로 변환하는 최적의 위상 변환 패턴을 설계하고 프로토타이핑한 다음 프로토타이핑 결과를 기반으로 위상 플레이트 변환기를 제조함으로써 수행됩니다. 두 번째 단계는 제조된 위상판에 기본 모드 레이저 빔을 주입하여 낮은 순도의 빔을 생성하는 것입니다.

생산된 빔은 렌즈를 통해 원하는 새로운 빔 매개변수와 일치시켜 최종적으로 선형 모드 클리너 캐비티에 주입됩니다. 다음으로, 리니어 모드 클리너 캐비티는 주입된 빔에 대한 모드 선택기로 동작한다. 선형 모드 클리너를 잠그면 원하는 길고 모드를 원치 않는 잔여 모드와 분리하여 이를 거부하고 결국 생성된 빔의 전체 모드 순도를 높일 수 있습니다.

마지막 단계는 실물 크기 검출기에서 Lega GARS 모드의 원하는 성능에 필요한 미러를 설계하는 것입니다. 이는 검출기의 하위 시스템을 시뮬레이션하고 원하는 성능이 달성될 때까지 미러 표면의 특정 모양을 줄임으로써 달성됩니다. 궁극적으로 생성된 빔의 강도 프로파일 분석은 빔의 순도를 평가하는 데 사용됩니다.

기존 방법에 비해 이 기술의 주요 장점은 안정적인 고순도 빔을 생성할 수 있다는 것입니다. 이를 통해 실험 설정 내에서 높은 수준의 적응성을 얻을 수 있습니다. 이 방법은 고정밀 간섭계 측정 수행을 개선할 수 있을 뿐만 아니라 재료 가공 현미경, 모션 센서, 생물학 등과 같은 모든 과학 분야에도 적용할 수 있습니다.

이 방법에 대한 아이디어는 위상판과 공간 광 변조기를 사용한 모드 변환에 대한 문헌을 읽은 후 떠올랐습니다. 우리는 모드 클리닝 기술을 적용하면 이러한 방식으로 생성하는 모드의 순도를 크게 향상시킬 수 있다는 것을 즉시 깨달았습니다. 이 기술이 개발된 후 중력파 감지 분야의 연구원들은 설정에서 Leger 가스 빔의 적용을 탐구할 수 있었습니다.

대규모 간섭계 프로토타입을 포함한 중력파 간섭계의 대표자이며 고출력 레이저 시스템을 사용하는 첫 번째 단계는 순수한 저잡음 전력 안정화 기본 모드 지안 빔을 생성하는 것입니다. 이 설정에 대한 자세한 내용은 원고에 나와 있습니다. 실시간 이미지 분석 소프트웨어와 함께 빔 프로파일러를 사용하여 광학 경로를 따라 빔 반경을 측정하고 최소 10개의 데이터 포인트를 수집하고, 측정된 반경을 맞추고, 빔 웨이스트 크기와 위치를 추출합니다.

다음으로, 광학 경로를 따라 렌즈를 선택하고 배치하여 빔 웨이스트 크기와 위치를 조정합니다. 빔을 빔 허리에 배치된 공간 광 변조기로 향하게 하여 반사형 공간 광 변조기의 정렬을 돕습니다. 생성된 빔의 난시를 방지하기 위해 입사각을 5도 이하로 조정합니다.

이제 여기에 표시된 전용 컴퓨터 프로그램을 사용하여 원하는 더 높거나 더 큰 GU 빔의 위상 프로파일을 공간 광 변조기 액정 디스플레이에 적용하면 본 실험에서 생성될 AL 3 3 모드의 위상 변조 프로파일입니다. 이것은 공간 광 변조기에 표시되는 이미지입니다. 편광판으로 볼 때 주입된 빔의 크기에 따라 적절한 위상을 선택합니다.

패턴 크기는 이제 블레이징 구조와 공간 광 변조기의 위상 프로파일과 겹칩니다. 왼쪽 하단의 삽입은 처음에 공간 광 변조기에 적용된 오른쪽의 위상 변환 패턴만 있는 빔을 보여주며, 위상 프로파일에 블레이징 패턴을 적용하고, 레고스 프로파일이 있는 광은 빛과 분리되지 않고 타오르는 각도를 최적화하여 빔의 발산각보다 큰 1차 회절각을 생성합니다. 최적 변환 패턴에 대한 데이터를 사용하여 공간 광 변조기를 대체할 위상 플레이트를 제조합니다.

변환할 주입된 기본 모드 빔의 허리에 위상판을 배치하는 것이 편리합니다. 정렬을 돕기 위해 위상 플레이트 뒤에 CCD 카메라를 놓습니다. 카메라 출력을 모니터링하여 위상판이 초기 빔에 수직이 되고 빔이 위상 구조에 대해 중앙에 오도록 위상 플레이트를 조심스럽게 정렬합니다.

빔 카드를 사용하여 빔이 위상판을 통해 투과되는 위치를 확인합니다. 더 높은 회절 차수를 양호하게 분리합니다. 이 작업이 완료되면 주 회절 순서에 중심을 둔 조리개로 더 높은 차원의 빔을 가립니다.

조리개가 원하는 결과를 얻는지 확인합니다. leggos 빔이 주입될 위치에 배치할 모드 클리너 캐비티를 구성하여 진행합니다. 캐비티에 대한 미러를 선택합니다.

이를 지지할 강성 스페이서를 선택하고 캐비티 길이 접착제를 미세하게 조정할 수 있도록 pieto 전기 링 요소를 선택합니다. 스페이서의 미러와 미러 중 하나와 스페이서 사이에 피에조 전기 링 요소를 삽입하며, 모드 클리너 캐비티가 제자리에 있고 기하학적 정의 모드가 위상 플레이트에 의해 생성된 빔을 캐비티 에그와 일치시켜 Legge GO 빔을 프로파일링하고 빔 경로를 따라 다른 위치에서 CCD 카메라로 강도 분포를 기록합니다. Legge Gouss 빔을 프로파일링하려면 빔 경로를 따라 다른 위치에서 CCD 카메라로 강도 분포를 기록합니다.

최적의 빔 크기와 위치를 찾을 때까지 렌즈를 배치하고 측정을 반복합니다. 이제 피소 전기 크리스탈로 거울을 움직여 캐비티 길이를 변경하십시오. 캐비티에 주입된 빔의 정렬을 최적화하는 동시에 모니터에서 보이는 투과 빔을 모니터링합니다.

여기 빨간색 트레이스에 표시된 모드 클리너에 의해 투과되는 빛의 측정을 캐비티 길이의 함수로 사용했으며, 이는 노란색 트레이스에 표시된 것을 조사하여 위상판에 의해 생성된 leggo 빔에 대한 모드 내용을 조사합니다. 이제 CCD 이미지를 더 주의 깊게 검사하고 기생 모드를 식별합니다. 여기서 기생 모드의 빔 프로파일은 피크가 횡단할 때 표시됩니다.

포토 다이오드 신호를 사용하여 이러한 모드의 전력을 평가하고 전체 빔의 정확한 모드 성분을 계산합니다. 측정된 결과와 정확한 모드 내용은 여기에 표시된 대로 수치 시뮬레이션을 사용하여 재현하고 비교할 수 있습니다. 계속해서 제어 루프를 연결하여 캐비티 길이를 메인 앤스에 고정하고, 생성된 빔을 진단하기 위해 CCD 카메라와 함께 캐비티에서 전송된 결과 빔의 프로필 이미지를 기록합니다.

레이저 파워 미터로 leggos 빔의 힘을 측정하십시오 : leggo 빔이 잘리지 않도록 주의해야 하며, 대부분의 상용 기기의 민감한 영역 치수를 초과할 수 있습니다. CCD 카메라를 사용하여 빔 강도를 측정합니다. 피팅 루틴을 사용하여 이론적인 빔 프로파일 파일의 매개변수를 찾습니다.

빔의 순도는 이론적 진폭 분포와 측정된 진폭 분포의 제곱 내적을 계산하여 평가합니다. 고급 라이고(ligo)와 같은 대규모 간섭계 실험에 사용되는 미러는 믿을 수 없을 정도로 매끄럽고 최첨단 광학 장치로, 고차원의 기본 모드 사용을 위해 설계되었습니다. AL 모드에는 시뮬레이션을 통해 결정되는 보다 엄격한 요구 사항이 필요합니다.

이 경우 시뮬레이션 도구를 선택하여 시작합니다. 이 비디오에 대한 기교. 여기에 표시된 fbri Perot 암 캐비티가 있는 고급 LIGO 이중 재활용 마이컬슨 간섭계가 모델링된 것입니다.

모델의 finesse 입력을 준비한 다음 기본 모드 빔으로 테스트하고 신뢰성을 검증합니다. LG 쓰리 쓰리 모드에 맞게 기교 파일을 조정합니다. 기본 모드와 유사한 빔 크기를 제공하도록 설정을 변경하는 데 주의하십시오.

이러한 빔을 사용하여 테스트를 반복합니다. 결과는 기본 모드의 결과와 매우 유사해야 합니다. 이제 캐비티 미러의 표면 형상에 대한 데이터를 통합하는 사실적인 간섭계 모델을 설정합니다.

은둔형 가우스 제로 영점 모드와 고차 레기안 모드의 성능을 조사하고 비교합니다(예: 다크 포트에서 필드 감지). 차수가 높을수록 성능이 더 나쁠 것으로 예상됩니다. 이 모델에 존재하는 퇴화 효과를 조사하기 위해 탐지 포트로 누출되는 왜곡된 빔을 초래하는 모드 퇴화는 퇴화가 발생하는 fbri Perot arm cavities를 시뮬레이션합니다.

이러한 시뮬레이션의 데이터를 사용하여 순환 빔에서 원치 않는 모드와 주파수 분할을 식별할 수 있습니다. 비디오의 이 부분에서는 왼쪽 하단을 따라 미러 표면 맵이 표시되며, 입력 빔과 동일한 차수의 모드 사이에 상당한 결합을 유발하는 오른쪽 하단의 Zer 다항식 콘텐츠가 조정되어 순환 빔의 순도를 더 높일 수 있습니다. 빔 프로파일은 왼쪽 상단에 표시되고 출력은 오른쪽 상단에 표시됩니다.

이 경우 궁극적으로 순환 모드의 99% 순도가 달성됩니다. 최종 미러 맵은 leggos 모드에 대한 미러 요구 사항을 나타내며 성능 향상을 테스트하기 위해 전체 크기 간섭계 시뮬레이션에 사용할 수 있습니다. 이것은 이 legge Gauss three three beam으로 성공적으로 변환된 시스템에 대한 입력으로 사용된 기본 모드 빔의 강도 프로파일입니다.

여기에 표시된 예에서는 참고 문헌 21에 게시된 결과를 보여줍니다. 이 방법을 사용하여 82.8 와트와 96 % 순도의 라갈 3 개 빔을 생성했습니다. 이 빔의 순도에 대한 감각은 이 모드에 대한 피팅 잔차의 이 플롯에서 볼 수 있습니다.

일단 숙달되면이 기술은 장치의 설계에서 완성까지 적절하게 수행되면 몇 주 동안 수행 할 수 있습니다. 이 절차를 시도하기 위해서는 설계와 이 실험 설정의 예비 리모델링, 광학 부품의 선택 및 품질에 각별한 주의를 기울여야 합니다. 일반적으로 개인은 이 방법을 처음 접하며 장치의 고차 모드 섹션의 설계, 특성화 및 정렬에 어려움을 겪을 것입니다.

이 비디오를 시청한 후에는 사용 가능한 가우스 모드 및 고정밀 간섭계와 같은 고차를 만드는 방법을 잘 이해하게 될 것입니다. 작동하는 레이저는 매우 위험할 수 있으며 이 절차를 수행하는 동안 항상 인증된 레이저 안전 고글 착용과 같은 예방 조치를 취해야 한다는 것을 잊지 마십시오.