Name: Generacja wiązek optycznych Laguerrea-Gaussa wyższego rzędu do precyzyjnej interferometrii (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2013-08-12T13:00:00.000+00:00
Duration: 12 min 14 s
Description: Poznaj generowanie wiązek optycznych Laguerre'a-Gaussa wyższego rzędu o wysokiej czystości do precyzyjnej interferometrii grawitacyjnej. Metoda wykorzystuje modulatory światła przestrzennego i płytki fazowe.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

playerTrialDesktop

Ta praca została sfinansowana przez Radę ds. Obiektów Naukowych i Technologicznych (STFC).

<ol><li>Cohadon, P. F., Heidmann, A., Pinard, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Cooling+of+a+Mirror+by+Radiation+Pressure%5BTitle%5D)+AND+%22Physical+Review+Letters%22%5BJournal%5D)">Cooling of a Mirror by Radiation Pressure.</a> Physical Review Letters. 83, 3174-3177 (1999).</li>
<li>Corbitt, T., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((An+All-Optical+Trap+for+a+Gram-Scale+Mirror%5BTitle%5D)+AND+%22Physical+Review+Letters%22%5BJournal%5D)">An All-Optical Trap for a Gram-Scale Mirror.</a> Physical Review Letters. 98, 150802(2007).</li>
<li>Müller-Ebhardt, H., Rehbein, H., Schnabel, R., Danzmann, K., Chen, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Entanglement+of+Macroscopic+Test+Masses+and+the+Standard+Quantum+Limit+in+Laser+Interferometry%5BTitle%5D)+AND+%22Physical+Review+Letters%22%5BJournal%5D)">Entanglement of Macroscopic Test Masses and the Standard Quantum Limit in Laser Interferometry.</a> Physical Review Letters. 100, 013601(2008).</li>
<li>Kimble, H. J., Levin, Y., Matsko, A. B., Thorne, K. S., Vyatchanin, S. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Conversion+of+conventional+gravitational-wave+interferometers+into+quantum+nondemolition+interferometers+by+modifying+their+input+and+output+optics%5BTitle%5D)+AND+%22Physical+Review+D%22%5BJournal%5D)">Conversion of conventional gravitational-wave interferometers into quantum nondemolition interferometers by modifying their input and output optics.</a> Physical Review D. 65, 022002(2001).</li>
<li>Numata, K., Kemery, A., Camp, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Thermal-Noise+Limit+in+the+Frequency+Stabilization+of+Lasers+with+Rigid+Cavities%5BTitle%5D)+AND+%22Physical+Review+Letters%22%5BJournal%5D)">Thermal-Noise Limit in the Frequency Stabilization of Lasers with Rigid Cavities.</a> Physical Review Letters. 93, 250602(2004).</li>
<li>Aufmuth,, Danzmann, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Gravitational+wave+detectors%5BTitle%5D)+AND+%22New+Journal+of+Physics%22%5BJournal%5D)">Gravitational wave detectors.</a> New Journal of Physics. 7, 202(2005).</li>
<li>Harry, G. M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Thermal+noise+in+interferometric+gravitational+wave+detectors+due+to+dielectric+optical+coatings%5BTitle%5D)+AND+%22Classical+and+Quantum+Gravity%22%5BJournal%5D)">Thermal noise in interferometric gravitational wave detectors due to dielectric optical coatings.</a> Classical and Quantum Gravity. 19, 897-917 (2002).</li>
<li>Crooks, D. R. M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Excess+mechanical+loss+associated+with+dielectric+mirror+coatings+on+test+masses+in+interferometric+gravitational+wave+detectors%5BTitle%5D)+AND+%22Classical+and+Quantum+Gravity%22%5BJournal%5D)">Excess mechanical loss associated with dielectric mirror coatings on test masses in interferometric gravitational wave detectors.</a> Classical and Quantum Gravity. 19, 883-896 (2002).</li>
<li>Yu, L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Internal+thermal+noise+in+the+LIGO+test+masses%3A+A+direct+approach%5BTitle%5D)+AND+%22Physical+Review+D%22%5BJournal%5D)">Internal thermal noise in the LIGO test masses: A direct approach.</a> Physical Review D. 57, 659-663 (1998).</li>
<li>Harry, G. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((the+LIGO+Collaboration.+Advanced+LIGO%3A+the+next+generation+of+gravitational+wave+detectors%5BTitle%5D)+AND+%22Classical+and+Quantum+Gravity%22%5BJournal%5D)">the LIGO Collaboration. Advanced LIGO: the next generation of gravitational wave detectors.</a> Classical and Quantum Gravity. 27, 084006(2010).</li>
<li>Accadia, T., Acernese, F., Antonucci, F., Astone, P., Ballardin, G., Barone, F., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Status+of+the+VIRGO+project%5BTitle%5D)+AND+%22Classical+and+Quantum+Gravity%22%5BJournal%5D)">Status of the VIRGO project.</a> Classical and Quantum Gravity. 28, 114002(2011).</li>
<li>Sathyaprakash, B., Abernathy, M., Acernese, F., Ajith, P., Allen, B., Amaro-Seoane, P., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Scientific+objectives+of+Einstein+Telescope%5BTitle%5D)+AND+%22Classical+and+Quantum+Gravity%22%5BJournal%5D)">Scientific objectives of Einstein Telescope.</a> Classical and Quantum Gravity. 29 (12), 124013(2012).</li>
<li>Bondarescu, M., Thorne, K. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((New+family+of+light+beams+and+mirror+shapes+for+future+LIGO+interferometers%5BTitle%5D)+AND+%22Physical+Review+D%22%5BJournal%5D)">New family of light beams and mirror shapes for future LIGO interferometers.</a> Physical Review D. 74, 082003(2006).</li>
<li>Bondarescu, M., Kogan, O., Chen, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Optimal+light+beams+and+mirror+shapes+for+future+LIGO+interferometers%5BTitle%5D)+AND+%22Physical+Review+D%22%5BJournal%5D)">Optimal light beams and mirror shapes for future LIGO interferometers.</a> Physical Review D. 78, 082002(2008).</li>
<li>Tournefier Mours, E., Vinet, J. Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Thermal+noise+reduction+in+interferometric+gravitational+wave+antennas%3A+using+high+order+TEM+modes%5BTitle%5D)+AND+%22Classical+and+Quantum+Gravity%22%5BJournal%5D)">Thermal noise reduction in interferometric gravitational wave antennas: using high order TEM modes.</a> Classical and Quantum Gravity. 23, 5777(2006).</li>
<li>Chelkowski, S., Hild, S., Freise, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Prospects+of+higher-order+Laguerre-Gauss+modes+in+future+gravitational+wave+detectors%5BTitle%5D)+AND+%22Physical+Review+D%22%5BJournal%5D)">Prospects of higher-order Laguerre-Gauss modes in future gravitational wave detectors.</a> Physical Review D. 79, 122002(2009).</li>
<li>Vinet, J. Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Reducing+thermal+effects+in+mirrors+of+advanced+gravitational+wave+interferometric+detectors%5BTitle%5D)+AND+%22Classical+and+Quantum+Gravity%22%5BJournal%5D)">Reducing thermal effects in mirrors of advanced gravitational wave interferometric detectors.</a> Classical and Quantum Gravity. 24, 3897(2007).</li>
<li>Fulda, P., Kokeyama, K., Chelkowski, S., Freise, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Experimental+demonstration+of+higher-order+Laguerre-Gauss+mode+interferometry%5BTitle%5D)+AND+%22Physical+Review+D%22%5BJournal%5D)">Experimental demonstration of higher-order Laguerre-Gauss mode interferometry.</a> Physical Review D. 82, 012002(2010).</li>
<li>Bond, C., Fulda, P., Carbone, L., Kokeyama, K., Freise, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Higher+order+Laguerre-Gauss+mode+degeneracy+in+realistic%2C+high+finesse+cavities%5BTitle%5D)+AND+%22Physical+Review+D%22%5BJournal%5D)">Higher order Laguerre-Gauss mode degeneracy in realistic, high finesse cavities.</a> Physical Review D. 84, 102002(2011).</li>
<li>Sorazu, B., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Experimental+test+of+higher-order+Laguerre-Gauss+modes+in+the+10+m+Glasgow+prototype+interferometer%5BTitle%5D)+AND+%22Class.+Quantum+Grav%22%5BJournal%5D)">Experimental test of higher-order Laguerre-Gauss modes in the 10 m Glasgow prototype interferometer.</a> Class. Quantum Grav. 30, 035004(2013).</li>
<li>Carbone, L., Bogan, C., Fulda, P., Freise, A., Willke, W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Generation+of+High-Purity+Higher-Order+Laguerre-Gauss+Beams+at+High+Laser+Power%5BTitle%5D)+AND+%22Physical+Review+Letters%22%5BJournal%5D)">Generation of High-Purity Higher-Order Laguerre-Gauss Beams at High Laser Power.</a> Physical Review Letters. 110, 251101(2013).</li>
<li>Fulda, P., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Phaseplate+design+for+Laguerre-Gauss+mode+conversion%5BTitle%5D)+AND+%22%22%5BJournal%5D)">Phaseplate design for Laguerre-Gauss mode conversion.</a> , In Preparation (2013).</li>
<li>Willke, B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Stabilized+lasers+for+advanced+gravitational+wave+detectors%5BTitle%5D)+AND+%22Laser+%26+Photonics+Rev%22%5BJournal%5D)">Stabilized lasers for advanced gravitational wave detectors.</a> Laser & Photonics Rev. , 1-15 (2010).</li>
<li>Granata, M., Buy, C., Ward, R., Barsuglia, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Higher-Order+Laguerre-Gauss+Mode+Generation+and+Interferometry+for+Gravitational+Wave+Detectors%5BTitle%5D)+AND+%22Physical+Review+Letters%22%5BJournal%5D)">Higher-Order Laguerre-Gauss Mode Generation and Interferometry for Gravitational Wave Detectors.</a> Physical Review Letters. 105, 231102(2010).</li>
<li>Matsumoto, N., Ando, T., Inoue, T., Ohtake, Y., Fukuchi, N., Hara, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Generation+of+high-quality+higher-order+Laguerre+Gaussian+beams+using+liquid-crystal-on-silicon+spatial+light+modulators%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Opt.+Soc.+Am%22%5BJournal%5D)">Generation of high-quality higher-order Laguerre Gaussian beams using liquid-crystal-on-silicon spatial light modulators.</a> J. Opt. Soc. Am. 25, 1642-1651 (2008).</li>
<li>Kennedy, S. A., Szabo, M. J., Teslow, H., Porterfield, J. Z., Abraham, E. R. I. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Creation+of+Laguerre-Gaussian+laser+modes+using+diffractive+optics%5BTitle%5D)+AND+%22Physical+Review+A%22%5BJournal%5D)">Creation of Laguerre-Gaussian laser modes using diffractive optics.</a> Physical Review A. 66, 043801(2002).</li>
<li>Black, E. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((An+introduction+to+Pound-Drever-Hall+laser+frequency+stabilization%5BTitle%5D)+AND+%22American+Journal+of+Physics%22%5BJournal%5D)">An introduction to Pound-Drever-Hall laser frequency stabilization.</a> American Journal of Physics. 69, 79-87 (2001).</li>
<li>Freise, A., Heinzel, G., Lueck, H., Schilling, R., Willke, B., Danzmann, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Frequency-domain+interferometer+simulation+with+higher-order+spatial%5BTitle%5D)+AND+%22Class.Quant.Grav%22%5BJournal%5D)">Frequency-domain interferometer simulation with higher-order spatial.</a> Class.Quant.Grav. 21, (2004).</li>
<li>Uehara, N. Mode cleaner for the Initial LIGO 10 Watt Laser. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aUehara%2C+N+%22LIGO+internal+report%22">LIGO internal report</a>. 12, (1997).</li>
<li>Simtools, a collection of Matlab tools for optical simulations [Internet]. , Available from:
		
	 <a target="_blank" href="http://www.gwoptics.org/simtools/">http://www.gwoptics.org/simtools/</a> (2013).</li>
</ol>

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

Wiązki wyjściowe większości laserów używanych w pomiarach o wysokiej precyzji są zaprojektowane tak, aby miały kształt dobrze opisany jako podstawowy tryb Gaussa. Ta szczególna geometria wiązki łączy niską dyfrakcję ze sferycznym czołem fali. Podczas gdy niska dyfrakcja jest jedną z kluczowych zalet światła laserowego, sferyczne czoło fali jest równie ważne, ponieważ umożliwia niskostratną transformację wiązki laserowej przez standardowe elementy optyczne o sferycznych powierzchniach. Można również tworzyć różne kształty wiązek, a ostatnio wiązki Laguerre'a-Gaussa stały się interesujące ze względu na ich potencjalne zastosowanie w interferometrii precyzyjnej.
W tym artykule zademonstrowaliśmy eksperymentalną procedurę tworzenia modów Laguerre'a-Gaussa wyższego rzędu o czystości 95% dla ultrastabilnych wiązek laserowych o dużej mocy. Aby to osiągnąć, połączyliśmy standardowe techniki z różnych aspektów badań optycznych, a mianowicie dyfrakcyjne płytki fazowe i laserową stabilizację wstępną, aby uzyskać mod czyszczenia wnęk. Nasz eksperyment zapewnia prostą, modułową i bardzo niezawodną metodę tworzenia wiązek o dużej mocy w zdefiniowanych przez użytkownika trybach wyższego rzędu. Jako źródło światła używany jest komercyjny ultrastabilny laser. Jego wyjście jest wtryskiwane do dyfrakcyjnej płytki fazowej, która może przekształcić do 75% światła w pożądany tryb Laguerre'a-Gauss'a. Światło to jest następnie wstrzykiwane do małej wnęki optycznej, a elektroniczna pętla sprzężenia zwrotnego jest wykorzystywana do stabilizacji częstotliwości lasera do długości wnęki. Wiązka przekazywana przez wnękę jest w 95% w pożądanym trybie i, podobnie jak wiązka modów podstawowych na początku konfiguracji, ma bardzo dobrą stabilność częstotliwości przy częstotliwościach audio. Wszystkie części reprezentują standardowe komponenty w nowoczesnych eksperymentach optycznych. Z powodzeniem zademonstrowaliśmy tę technikę dla mocy lasera do 80 W w czystym trybie Laguerre-Gauss 33.
Możliwe jest osiągnięcie podobnych wyników poprzez zastąpienie płytki fazowej innym elementem konwertującym mod (na przykład innymi elementami dyfrakcyjnymi lub konwerterami astygmatycznymi). Alternatywnie laser można skonfigurować z rezonatorem optycznym dostrojonym do pożądanych trybów Laguerre'a-Gauss'a, używając na przykład maski amplitudy. Wreszcie, stabilizacja częstotliwości lasera do referencyjnej wnęki optycznej może zostać zamieniona na podobny schemat, który wykorzystuje odniesienie atomowe. Potrzeba elektronicznego systemu sprzężenia zwrotnego jest prawdopodobnie główną wadą, ale jest to nieuniknione w przypadku każdego źródła światła używanego do precyzyjnego interferometru.
Uważamy jednak, że metoda przedstawiona w tym artykule zapewnia prosty i modułowy schemat, który można skalować do wszystkich zakresów wymaganej częstotliwości, mocy lub kształtu lasera, a tym samym stanowi potężną i wszechstronną metodę. Każda część, źródło lasera, element dyfrakcyjny, a także wnęka optyczna mogą być zmieniane lub optymalizowane indywidualnie, co oznacza, że również istniejące systemy wtrysku laserowego można rozbudować do korzystania z trybów Laguerre'a-Gaussa.

W ciągu ostatnich dziesięcioleci eksperymenty interferometryczne o wysokiej precyzji były przesuwane w kierunku ostatecznego reżimu czułości, gdzie efekty kwantowe zaczynają odgrywać decydującą rolę. W tych obecnych i przyszłych eksperymentach, takich jak chłodzenie laserowe oscylatorów mechanicznych 1, pułapki optyczne dla luster 2, generowanie splątanych mas testowych 3, interferometria kwantowa nieniszcząca 4, stabilizacja częstotliwości laserów ze sztywnymi wnękami 5 i detekcja fal grawitacyjnych 6, 7, 8naukowcy mają do czynienia z wieloma ograniczającymi podstawowymi i technicznymi źródłami hałasu. Jednym z najpoważniejszych problemów jest szum termiczny zwierciadeł wnękowych układów interferometrycznych, który jest spowodowany wzbudzeniem termicznym atomów tworzących podłoża lustrzane i lustrzane powłoki odbijające 7, 8, 9. Efekt ten, zwany również ruchem Browna, spowoduje niepewność w fazie światła odbitego od dowolnej masy testowej i dlatego objawi się jako podstawowe ograniczenie szumu na wyjściu interferometru. Na przykład przewidywana czułość projektowa zaawansowanych anten fal grawitacyjnych, takich jak Advanced LIGO, Advanced VIRGO i Teleskop Einsteina, jest ograniczona przez ten rodzaj szumu w najbardziej wrażliwym obszarze pasma częstotliwości obserwacji 10, 11, 12.
Fizycy doświadczalni w społeczności ciężko pracują nad zminimalizowaniem tego hałasu i poprawą czułości swoich instrumentów. W szczególnym przypadku lustrzanego szumu Browna, jedną z metod łagodzenia jest zastosowanie większego rozmiaru plamki wiązki obecnie używanej standardowej podstawowej wiązki HG00 na powierzchniach masy testowej, ponieważ większa wiązka uśrednia się bardziej efektywnie w losowych ruchach powierzchni 13, 14. Wykazano, że gęstość widmowa mocy szumu termicznego zwierciadła skaluje się z odwrotnością wielkości wiązki Gaussa dla podłoża lustra i z odwrotnością kwadratu dla powierzchni lustra 9. Jednak w miarę powiększania się plamek wiązki, większa część mocy świetlnej jest tracona przez krawędź powierzchni odbijającej. Jeśli zastosuje się wiązkę o bardziej jednorodnym rozkładzie natężenia promieniowego niż powszechnie stosowana wiązka HG00 (patrz na przykład rysunek 1), poziom hałasu termicznego Browna można zmniejszyć bez zwiększania tego typu strat. Spośród wszystkich bardziej jednorodnych typów wiązek, które zostały zaproponowane dla nowych wersji interferometrii precyzyjnej, na przykład wiązki Mesa lub mody stożkowe 13, 14, najbardziej obiecujące są wiązki LG wyższego rzędu ze względu na ich potencjalną kompatybilność z obecnie stosowanymi powierzchniami zwierciadeł sferycznych 15. Na przykład, szybkość detekcji podwójnych gwiazd neutronowych w układach spiralnych – które są uważane za najbardziej obiecujące źródła astrofizyczne dla pierwszej detekcji GW – może zostać zwiększona o około 2 lub więcej 16 razy kosztem minimalnej ilości modyfikacji w konstrukcji interferometrów drugiej generacji, które są obecnie w budowie10. 11. Oprócz korzyści związanych z szumem termicznym, wykazano, że szersze rozkłady intensywności wiązek LG wyższego rzędu (patrz przykład na rysunku 2) łagodzą wielkość aberracji termicznych optyki w interferometrach. Zmniejszyłoby to zakres, w jakim systemy kompensacji termicznej są wykorzystywane w przyszłych eksperymentach w celu osiągnięcia czułości projektowej 19.
Zbadaliśmy i z powodzeniem wykazaliśmy możliwość generowania wiązek LG na poziomach czystości i stabilności wymaganych do skutecznego działania interferometrów GW przy ich najlepszej czułości 16, 18, 19, 20, 21, 22. Proponowana metoda łączy techniki i wiedzę specjalistyczną rozwiniętą w różnych dziedzinach fizyki i optyki, takich jak generowanie wiązek laserowych jednomodowych o wysokiej stabilności i niskim poziomie szumów 23, zastosowanie przestrzennych modulatorów światła i dyfrakcyjnych elementów optycznych do manipulowania profilami przestrzennymi wiązek światła 18, 22, 24, 25, 26 oraz zastosowanie zaawansowanych technik detekcji, kontrola i stabilizacja rezonansowych wnęk optycznych 27 mająca na celu dalsze oczyszczanie i stabilizację światła laserowego. Metoda ta została z powodzeniem zademonstrowana w eksperymentach laboratoryjnych, eksportowana do testów w prototypowych interferometrach na dużą skalę 20 oraz do generowania modów LG przy wysokich mocach lasera do 80 W 21. W tym artykule przedstawiono szczegóły metody generowania wiązek LG wyższego rzędu oraz omówiono metodykę charakterystyki i walidacji wynikowej wiązki. Ponadto w Kroku 4 przedstawiono metodę numerycznych badań ubytków z niedoskonałymi lustrami 19.

<table><tbody><tr><td colspan="4">Aparatura eksperymentalna omawiana w tym artykule wymaga następujących typów instrumentów:</td></tr><tr><td colspan="4">Instrument</td></tr><tr><td>Solid state Źródło lasera, Nd:YAG 1064 nm CW laser</td><td></td><td></td><td><silny>Ilość: </silny>1</td></tr><tr><td>Izolator</td><td></td><td></td> Faradaya<td><silny>Ilość: </silny>1</td></tr><tr><td>Modulator elektrooptyczny (EOM)</td><td></td><td></td> <td>< mocny> Ilość: < / mocny>1</td></tr><tr><td>Profiler</td><td></td><td></td> wiązki kamery CCD<td><silny>Ilość: < / mocny>1</td></tr><tr><td>Soczewki</td><td></td><td></td><td>< mocny>Ilość: < / mocny>w zależności od konstrukcji aparatury</td></tr><tr><td>Lusterka kierownicze</td><td></td><td></td> <td>< mocny>Ilość: < / mocny>w zależności od konstrukcji aparatu</td></tr><tr><td>Przysłona</td><td></td><td></td><td>< silna>Ilość: < / silna> 1</td></tr><tr><td>Lustra o wysokim współczynniku odbicia (dla normalnej padalności)</td><td></td><td></td> <td>< silne> Ilość: < / mocny> 2</td></tr><tr><td>Pierścień</td><td></td><td></td> piezoelektryczny<td>< silny> Ilość: < / silny> 1</td></tr><tr><td>dystans</td><td></td><td></td> wnęki<td>< silny> Ilość: < / silny> 1</td></tr><tr><td>Fotodiody i pokrewne elektronika sterująca</td><td><silny>Ilość:</silny> 1 lub więcej, w zależności od konstrukcji aparatury</td>Przestrzenny modulator światła<silny>Ilość:</silny> 1 Holoeye LCR-2500<td colspan="4">Wszystkie powyższe instrumenty są dostępne na rynku i nie jest wymagana żadna szczególna specyfikacja.<td></td><td></td></tr><tr><td></td><td></td><td></td><td></td></tr><tr> Wybór najodpowiedniejszych instrumentów pozostawiamy eksperymentatorowi" s dyskrecja.</td></tr><tr><td colspan="4">Dla zainteresowania eksperymentatora zainteresowanego odtworzeniem protokołu, zalecamy następujące narzędzia użyte w naszym eksperymencie:</td></tr><tr><td colspan="4">Tools</td></tr><tr><td>Innolight OEM 300NE, 1064 nm, 300 mW</td><td></td><td></td><td>Źródło lasera:</td></tr><tr><td>SIMTOOLs</td><td></td><td></td><td>Oprogramowanie do analizy danych, dostępne pod adresem <a href="http://www.gwoptics.org/simtools/" target="_blank">www.gwoptics.org/simtools/</a></td></tr><tr><td>FINESSE</td><td></td><td></td><td>Oprogramowanie do symulacji optycznych, <a href="http://www.gwoptics.org/finesse/" target="_blank"> www.gwoptics.org/finesse/</a></td></tr><tr><td colspan="4">Na koniec, płyta fazowa użyta w niniejszym eksperymencie została wyprodukowana przez Jenoptik GmbH, w oparciu o niestandardowy projekt dostarczony przez Autorów.</td></tr></tbody></table>

generacja wiązek optycznych laguerre'a-gaussa wyższego rzędu do precyzyjnej interferometrii

The Generation of Higher-order Laguerre-Gauss Optical Beams for High-precision Interferometry

Szum termiczny w lustrach o wysokim współczynniku odbicia jest główną przeszkodą dla kilku rodzajów precyzyjnych eksperymentów interferometrycznych, które mają na celu osiągnięcie standardowego limitu kwantowego lub schłodzenie systemów mechanicznych do ich kwantowego stanu podstawowego. Tak jest na przykład w przypadku przyszłych obserwatoriów fal grawitacyjnych, których czułość na sygnały fal grawitacyjnych ma być ograniczona w najbardziej czułym paśmie częstotliwości przez drgania atomowe ich mas zwierciadeł. Jednym z obiecujących podejść stosowanych w celu przezwyciężenia tego ograniczenia jest zastosowanie wiązek optycznych Laguerre'a-Gaussa (LG) wyższego rzędu w miejsce tradycyjnie stosowanego trybu podstawowego. Ze względu na bardziej jednorodny rozkład natężenia światła, wiązki te efektywniej uśredniają się w stosunku do termicznie napędzanych fluktuacji powierzchni lustra, co z kolei zmniejsza niepewność położenia lustra wykrywaną przez światło lasera.
Pokazujemy obiecującą metodę generowania wiązek LG wyższego rzędu poprzez kształtowanie podstawowej wiązki Gaussa za pomocą dyfrakcyjnych elementów optycznych. Pokazujemy, że dzięki konwencjonalnym technikom wykrywania i sterowania, które są znane ze stabilizacji podstawowych wiązek laserowych, tryby LG wyższego rzędu mogą być oczyszczane i stabilizowane równie dobrze na porównywalnie wysokim poziomie. Zestaw narzędzi diagnostycznych pozwala nam kontrolować i dostosowywać właściwości generowanych wiązek LG. Umożliwiło nam to wyprodukowanie wiązki LG o najwyższej zgłoszonej do tej pory czystości. Wykazana kompatybilność modów LG wyższego rzędu ze standardowymi technikami interferometrii oraz z wykorzystaniem standardowej optyki sferycznej sprawia, że są one idealnym kandydatem do zastosowania w przyszłej generacji interferometrii precyzyjnej.

Wszystkie wyniki eksperymentalne opisane do tej pory w tekście i przedstawione na rysunkach stanowią reprezentatywny przykład pomyślnej realizacji protokołu konwersji wiązki. Najbardziej reprezentatywnym wynikiem jest czystość wygenerowanej wiązki: pomyślna konwersja wiązki powinna prowadzić do czystości rzędu 95% lub wyższej. Dobrym przykładem pomyślnej konwersji wiązki jest pomiar profilu intensywności wiązki LG33 o mocy 82.8 Watts i czystości 96%, uzyskanej w 21 i przedstawionej tutaj na Rysunku 12.
Podobnie, jak omówiono w sekcjach protokołu, sprawność konwersji modów płytki fazowej oraz całego układu doświadczalnego jest dobrym wskaźnikiem prawidłowego zaprojektowania aparatury eksperymentalnej, w tym płytki fazowej i wnęki oczyszczającej mody. Wartości rzędu 50% do 60% i wyższe są zazwyczaj uznawane za dobrą sprawność konwersji modów. Najwyższa sprawność konwersji zgłoszona do tej pory dla tego typu układu wynosi około 70% 21.
Badanie symulacyjne opisane w Sekcji 4 protokołu powinno dostarczyć wartości czystości wiązki dla realistycznych luster, sugerowane specyfikacje luster oraz wynikową czystość wiązki po zastosowaniu tych specyfikacji. Przykład wyników, jakich można oczekiwać przy zastosowaniu realistycznych map luster, przedstawiono w 19, gdzie uzyskano pierwotną czystość LG33 na poziomie 89%, w porównaniu do czystości &gt;99% dla HG00. Czystość &gt;99% dla modu LG33 osiąga się dzięki zastosowaniu konkretnych wymagań dotyczących luster, przy znacznym ograniczeniu astygmatyzmu powierzchni lustra.
<img alt="Schemat optycznych modów rezonansowych; poziome/pionowe indeksy modów, analiza badań fizycznych." src="/files/ftp_upload/50564/50564fig1.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Rysunek 1"> 
Rysunek 1. Rozkłady natężenia dla modów Hermite'a-Gaussa (HG) do rzędu 6. Rozkłady natężenia zostały znormalizowane do tej samej wartości natężenia szczytowego w celu lepszej widoczności.
<img alt="Wzory natężenia wiązki wirowej; schemat azymutalnych i radialnych indeksów modów, analiza wiru optycznego." src="/files/ftp_upload/50564/50564fig2.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Rysunek 2"> 
Rysunek 2. Wzory natężenia dla helikalnych modów LG do rzędu 9. Wzory natężenia zostały znormalizowane do tej samej wartości szczytowej w celu zapewnienia widoczności.
<img alt="Schemat układu laserowego z EOM, izolatorem Faradaya do wzbudzania optycznego i analizy emisji." fo:conten-width="5in" fo:src="/files/ftp_upload/50564/50564fig3highres.jpg" src="/files/ftp_upload/50564/50564fig3.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Rycina 3"> 
Rycina 3. Schemat konwencjonalnego układu do wytwarzania i stabilizacji wiązek HG00.
<img alt="Schemat układu optycznego z płytką fazową, serwo i detektorem CCD do modulacji i analizy wiązki." fo:conten-width="5in" fo:src="/files/ftp_upload/50564/50564fig4highres.jpg" src="/files/ftp_upload/50564/50564fig4.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Rysunek 4"> 
Rysunek 4. Schemat układu eksperymentalnego omówionego w niniejszej pracy. Wiązka HG00 jest najpierw dopasowywana modowo do pożądanego rozmiaru talii za pomocą teleskopu, a następnie kierowana na płytkę fazową. Główna wiązka dyfrakcyjna jest oddzielana od wyższych rzędów dyfrakcji za pomocą apertury, a następnie przesyłana do wnęki Mode Cleaner. Fotodioda służy do wyodrębnienia sygnału błędu w celu sterowania długością wnęki. Natężenie wiązki jest analizowane za pomocą kamery CCD.
<img alt="Diagram modulacji fazy pokazujący pozycje płytki fazowej; oś x-y, skala względnej modulacji fazy." src="/files/ftp_upload/50564/50564fig5.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Rysunek 5"> 
Rysunek 5. Profil modulacji fazy służący do konwersji mody HG00 na modę LG33.
<img alt="Wzorzec modulacji fazy, diagram interferencyjny, analiza płytki fazowej, konfiguracja układu optycznego." src="/files/ftp_upload/50564/50564fig6.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Rycina 6"> 
Rycina 6. Przykład profili modulacji fazy z łukowym załamaniem (blazed) do generowania modów LG33.
<img alt="Porównanie wzorów interferencyjnych: zmierzony a teoretyczny; optyka falowa; badanie dyfrakcji." src="/files/ftp_upload/50564/50564fig7.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Rysunek 7"> 
Rysunek 7. Porównanie rozkładu natężenia wiązki złożonej generowanej przez płytkę fazową (lewo) z teoretycznym rozkładem natężenia dla czystej wiązki LG33 o tych samych parametrach.
<img alt="Analiza wzoru dyfrakcyjnego; przedstawiono dane, dopasowanie i residua; wyniki analizy widma wizualnego." src="/files/ftp_upload/50564/50564fig8.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Rycina 8"> 
Rycina 8. Przykład dopasowania profilu natężenia wiązki zastosowany do rzeczywistej wiązki LG33 transmitowanej z płytki fazowej (lewo) w porównaniu z wynikami dopasowania (środek) oraz residuami dopasowania (prawo). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/50564/50564fig8large.jpg" target="_blank"> Kliknij tutaj, aby wyświetlić większą rycinię</a>.
<img alt="Analiza wiązki Laguerre'a-Gaussa; wykres pozycji w funkcji promienia wiązki; porównanie dopasowania danych; badanie optyczne." fo:conten-width="4.5in" fo:src="/files/ftp_upload/50564/50564fig9highres.jpg" src="/files/ftp_upload/50564/50564fig9.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Rysunek 9"> 
Rysunek 9. Profil wiązki LG33 z przedstawionym dla porównania dopasowaniem gaussowskim.
<img alt="Wykres skanowania wnęki z danymi pomiarowymi, dopasowaniem dla LG33, modelem numerycznym; porównanie odczytu PD względem FSR." fo:conten-width="4.5in" fo:src="/files/ftp_upload/50564/50564fig10highres.jpg" src="/files/ftp_upload/50564/50564fig10.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Rycina 10"> 
Rycina 10. Moc światła transmitowanego przez wnękę liniową w funkcji długości wnęki podczas wstrzykiwania wiązki generowanej przez płytkę fazową. Piki rezonansowe przy 0 i 1 FSR odpowiadają pożądanemu modowi LG33. Dla porównania przedstawiono dopasowanie dla tego dominującego modu (niebieska linia). Czerwka krzywa przedstawia wynik modelu numerycznego, opartego na zawartości modalnej opisanej w Tabeli 2. Na wstawkach przedstawiono obrazy niepożądanych wiązek, które mają zostać odfiltrowane przez wnękę.
<img alt="Trójwymiarowa topograficzna mapa wysokości, dane zakodowane kolorami, analiza nanostruktury, przedstawiona w formie schematu." fo:conten-width="5in" fo:src="/files/ftp_upload/50564/50564fig11highres.jpg" src="/files/ftp_upload/50564/50564fig11.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Rysunek 11"> 
Rysunek 11. Przykład mapy powierzchni lustra dla jednego z luster optycznych Advanced LIGO 19.
<img alt="Analiza profilu wiązki; dopasowanie LG33; rozkład natężenia; schemat optyczny; wykres rezyduów." src="/files/ftp_upload/50564/50564fig12.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Rysunek 12"> 
Rysunek 12. Profil natężenia wiązki LG33 o mocy 82.8 W transmitowanej przez wnękę liniową (po lewej) w porównaniu z rezyduami dopasowania (po prawej).
<table border="1">
	<tbody >
		<tr >
			<td >p</td>
			<td >l</td>
			<td >0</td>
			<td >1</td>
			<td >2</td>
			<td >3</td>
			<td >4</td>
			<td >5</td>
			<td >6</td>
			<td >7</td>
			<td >8</td>
			<td >9</td>
		</tr >
		<tr >
			<td colspan="2" >0</td>
			<td >1.0</td>
			<td >2.8</td>
			<td >1.7</td>
			<td >2.0</td>
			<td >2.2</td>
			<td >2.5</td>
			<td >2.6</td>
			<td >3.1</td>
			<td >3.0</td>
			<td >3.2</td>
		</tr >
		<tr >
			<td colspan="2" >1</td>
			<td >1.7</td>
			<td >2.7</td>
			<td >2.2</td>
			<td >2.4</td>
			<td >2.6</td>
			<td >2.8</td>
			<td >2.9</td>
			<td >2.8</td>
			<td > </td>
			<td > </td>
		</tr >
		<tr >
			<td colspan="2" >2</td>
			<td >2.2</td>
			<td >2.4</td>
			<td >2.5</td>
			<td >2.7</td>
			<td >2.9</td>
			<td >3.0</td>
			<td > </td>
			<td > </td>
			<td > </td>
			<td > </td>
		</tr >
		<tr >
			<td colspan="2" >3</td>
			<td >2.5</td>
			<td >2.7</td>
			<td >2.8</td>
			<td >3.0</td>
			<td > </td>
			<td > </td>
			<td > </td>
			<td > </td>
			<td > </td>
			<td > </td>
		</tr >
		<tr >
			<td colspan="2" >4</td>
			<td >2.9</td>
			<td >3.0</td>
			<td > </td>
			<td > </td>
			<td > </td>
			<td > </td>
			<td > </td>
			<td > </td>
			<td > </td>
			<td > </td>
		</tr >
	</tbody >
</table >
Tabela 1. Optymalny stosunek rozmiaru wiązki wejściowej HG00 do rozmiaru wiązki obrazu fazowego LGpl dla modów LG do rzędu 9.
<table border="1">
	<tbody>
		<tr>
			<td>Tryb</td>
			<td>LG33</td>
			<td>LG63</td>
			<td>LG43</td>
			<td>LG53</td>
			<td>LG32</td>
			<td>LG62</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Moc</td>
			<td>75%</td>
			<td>8%</td>
			<td>4%</td>
			<td>4%</td>
			<td>4%</td>
			<td>1%</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>
Tabela 2. Analiza zawartości modów opisana przez skanowanie wnęki przedstawione na Rysunku 10.

Duże interferometry laserowe są konstruowane w celu stworzenia nowego rodzaju astronomii opartej na falach grawitacyjnych. Ich czułość, podobnie jak w przypadku wielu innych eksperymentów wymagających wysokiej precyzji, zbliża się do podstawowych granic hałasu, takich jak drgania atomowe ich komponentów. Jesteśmy pionierami w dziedzinie technologii, które pozwalają przezwyciężyć te ograniczenia za pomocą nowatorskich kształtów wiązki laserowej.

Generacja wiązek optycznych Laguerre'a-Gaussa wyższego rzędu do precyzyjnej interferometrii

Thermal noise in high-reflectivity mirrors is a major impediment for several  types of high-precision interferometric experiments that aim to reach the  ...

Ogólnym celem niniejszej procedury jest generowanie wiązek optycznych o wyższych rzędach opóźnień i wysokiej czystości do zastosowań w interferometrii wysokiej precyzji. Jest to realizowane poprzez zaprojektowanie i opracowanie prototypu optymalnego wzoru konwersji fazowej w celu przekształcenia wiązki optycznej mody podstawowej w pożądany mod wyższego rzędu lub mod de przy użyciu konwertera modów z modulatorem światła przestrzennego, a następnie wykonanie konwertera w postaci płytki fazowej na podstawie wyników prototypowania. Drugim krokiem jest wprowadzenie wiązki laserowej mody podstawowej na wykonaną płytkę fazową w celu wytworzenia wiązki o niskiej czystości.Wygenerowana wiązka jest starannie profilowana i dopasowywana do pożądanych parametrów nowej wiązki za pomocą soczewek, aby ostatecznie została wstrzyknięta do liniowej wnęki oczyszczającej mody. Następnie liniowa wnęka oczyszczająca mody działa jako selektor modów dla wstrzykniętej wiązki. Stabilizacja liniowej wnęki oczyszczającej pozwala na oddzielenie pożądanego modu gilgo od pozostałych niepożądanych modów, odrzucając je i w konsekwencji zwiększając ogólną czystość modu generowanej wiązki.Ostatnim krokiem jest zaprojektowanie luster niezbędnych do uzyskania pożądanej wydajności trybu Lega GARS w detektorze w pełnej skali. Osiąga się to poprzez symulowanie podsystemów detektora i modyfikowanie wybranych kształtów powierzchni luster, aż do uzyskania oczekiwanych parametrów. Ostatecznie, w celu oceny czystości wiązki, wykorzystuje się analizę profilu natężenia generowanej wiązki.Główną zaletą tej techniki w stosunku do istniejących metod jest możliwość generowania stabilnej wiązki o wysokiej czystości. Pozwala to również na wysoki stopień adaptacyjności w obrębie układu eksperymentalnego. Chociaż metoda ta może przynieść usprawnienia w przeprowadzaniu interferometrycznych pomiarów wysokiej precyzji, może być ona zastosowana we wszystkich dziedzinach nauki, takich jak mikroskopia w obróbce materiałów, czujniki ruchu, biologia i inne.Pomysł na tę metodę pojawił się po zapoznaniu się z literaturą dotyczącą konwersji modów z wykorzystaniem płytek fazowych i przestrzennych modulatorów światła. Natychmiast zdaliśmy sobie sprawę, że zastosowanie techniki oczyszczania modów powinno pozwolić na znaczną poprawę czystości generowanych w ten sposób modów. Po opracowaniu tej techniki badacze zajmujący się detekcją fal grawitacyjnych mogli zbadać zastosowanie wiązek gazu Legera w układach pomiarowych.Przedstawiciel interferometrów fal grawitacyjnych, obejmujący prototypy interferometrów w dużej skali i wykorzystujący wysokomocowe systemy laserowe. Pierwszym krokiem jest wygenerowanie czystej, niskoszumowej, stabilizowanej mocy wiązki Gaussa w modzie podstawowym. Szczegóły tej konfiguracji znajdują się w manuskrypcie. Należy użyć profilometru wiązki z oprogramowaniem do analizy obrazu w czasie rzeczywistym, aby zmierzyć promień wiązki wzdłuż drogi optycznej i zebrać co najmniej 10 punktów danych, a następnie dopasować zmierzone promienie i wyznaczyć rozmiar oraz położenie przerwy wiązki.Następnie należy dobrać i umieścić soczewki wzdłuż toru optycznego, aby zmienić rozmiar i położenie przerwy wiązki. Skieruj wiązkę do modulatora światła przestrzennego umieszczonego w przerwie wiązki, co ułatwi wyrównanie w przypadku refleksyjnego modulatora światła przestrzennego. Dostosuj kąt padania do wartości pięciu stopni lub mniej, aby uniknąć astygmatyzmu w generowanej wiązce.Następnie nałóż profil fazowy pożądanej wiązki GU wyższego lub większego rzędu na wyświetlacz ciekłokrystaliczny modulatora światła przestrzennego, korzystając z dedykowanego programu komputerowego; tutaj przedstawiono profil modulacji fazowej dla modu AL 33, który ma zostać utworzony w tym doświadczeniu. Jest to obraz taki, jaki pojawia się na modulatorze światła przestrzennego. Obserwując go przez polaryzator, wybierz odpowiednią fazę w zależności od rozmiaru wstrzykiwanej wiązki.Rozmiar wzoru nachodzi teraz na strukturę blazingu w profilu fazowym modulatora światła przestrzennego. Wstawka w lewym dolnym rogu pokazuje początkowo wiązkę z zastosowaniem jedynie wzoru konwersji fazowej, widocznego po prawej stronie, na modulatorze światła przestrzennego; po zastosowaniu wzoru blazingu do profilu fazowego światła, światło o profilu blazingu zostaje oddzielone od światła bez niego. Zoptymalizuj kąt blazingu, aby uzyskać kąt dyfrakcji w pierwszym rzędzie większy niż kąt rozbieżności wiązki. Wykorzystaj dane dotyczące optymalnego wzoru konwersji do wykonania płytki fazowej, która zastąpi modulator światła przestrzennego.Wygodnie jest umieścić płytkę fazową w pasie wstrzykniętej wiązki mody podstawowego, która ma zostać przekształcona. W celu ułatwienia ustawienia należy umieścić kamerę CCD za płytką fazową. Monitorując obraz z kamery, należy starannie ustawić płytkę fazową tak, aby była prostopadła do początkowej wiązki, a wiązka była wycentrowana względem struktury fazowej.Użyj karty wiązki, aby określić miejsce przejścia wiązek przez płytkę fazową. Uzyskaj wyraźną separację wyższych rzędów dyfrakcyjnych. Po wykonaniu tej czynności zasłoń wiązki wyższych rzędów za pomocą apertury wycentrowanej na głównym rzędzie dyfrakcyjnym.Upewnij się, że przysłona daje pożądane rezultaty. Następnie przystąp do budowy wnęki oczyszczającej mody, która zostanie umieszczona w miejscu wstrzykiwania wiązki leggos. Wybierz lustra do wnęki.Wybierz sztywny dystans do ich podparcia oraz pierścieniowy element piezoelektryczny, aby umożliwić mikroskopową regulację długości wnęki. Zamocuj lustra na dystansie i umieść pierścieniowy element piezoelektryczny pomiędzy jednym z luster a dystansem, mając wnękę oczyszczacza modów na miejscu i zdefiniowaną geometrią. Dopasuj mod wiązki generowanej przez płytkę fazową do modów wnęki; aby sprofilować wiązkę Legge Goussa, zarejestruj rozkład jej natężenia za pomocą kamery CCD w różnych pozycjach wzdłuż drogi wiązki. Aby sprofilować wiązkę Legge Goussa, zarejestruj rozkład jej natężenia za pomocą kamery CCD w różnych pozycjach wzdłuż drogi wiązki.Umieść soczewki i powtarzaj pomiary, aż zostanie znaleziony optymalny rozmiar i położenie wiązki. Następnie zmień długość wnęki, przesuwając lustro za pomocą kryształu piezoelektrycznego. Zoptymalizuj wyrównanie wiązki wstrzykiwanej do wnęki, monitorując wiązkę transmitowaną widoczną na monitorze.Wykorzystano pomiary światła transmitowanego przez cleaner modów, przedstawione tutaj na czerwonym wykresie w funkcji długości wnęki, widocznej na żółtym wykresie, aby zbadać zawartość modów w wiązce leggo generowanej przez płytkę fazową. Następnie dokładniej przeanalizowano obrazy z kamery CCD i zidentyfikowano mody pasożytnicze. Tutaj przedstawiono profile wiązek modów pasożytniczych w momencie przechodzenia przez ich piki.Oceń moc tych modów, korzystając z sygnału fotodiod, i oblicz dokładną zawartość modów w wiązce całkowitej. Uzyskane wyniki pomiarów oraz dokładna zawartość modów mogą zostać odtworzone i porównane z symulacjami numerycznymi, jak pokazano tutaj. Następnie uruchom pętlę sprzężenia zwrotnego, aby ustabilizować długość wnęki względem głównego oscylatora, i zarejestruj obrazy profilu wynikającej z tego wiązki transmitowanej przez wnękę za pomocą kamery CCD w celu zdiagnozowania wytworzonej wiązki.Zmierz moc wiązki leggos za pomocą miernika mocy lasera. Należy zachować ostrożność, aby uniknąć ucięcia wiązki, ponieważ wiązki leggo mogą przekraczać wymiary obszaru czułego większości dostępnych na rynku instrumentów. Użyj kamery CCD do pomiaru intensywności wiązki. Zastosuj procedurę dopasowania (fitting), aby wyznaczyć parametry teoretycznego profilu wiązki.Oceń czystość wiązki, obliczając kwadrat iloczynu skalarnego teoretycznych i pomiarowych rozkładów amplitudy. Lustra stosowane w wielkoskalowych eksperymentach interferometrycznych, takich jak advanced ligo, to niezwykle gładkie, nowoczesne elementy optyczne zaprojektowane do pracy w modzie podstawowym. Wykorzystanie modów wyższego rzędu AL wymaga spełnienia surowszych kryteriów, które są określane za pomocą symulacji.Zacznij od wyboru narzędzia do symulacji, w tym przypadku programu Finesse. Przedstawiony tutaj zaawansowany interferometr Michelsona LIGO z podwójnym recyklingiem i wnękami ramion Fabry-Perota został poddany modelowaniu.Przygotuj plik wejściowy programu Finesse dla modelu, a następnie przetestuj go za pomocą wiązek w modzie podstawowym i potwierdź jego niezawodność. Dostosuj plik Finesse dla modu LG₃₃. Należy zadbać o taką zmianę konfiguracji, aby uzyskać rozmiar wiązki zbliżony do modu podstawowego.Powtórz testy, używając tych wiązek. Wyniki powinny być bardzo zbliżone do wyników dla modu podstawowego. Teraz skonfiguruj realistyczny model interferometru, uwzględniając dane dotyczące kształtu powierzchni luster wnęki.Zbadaj i porównaj wydajność hermitowskiego modu Gaussa zero-zero oraz modów Laguerre'a wyższych rzędów, na przykład poprzez detekcję pola w porcie ciemnym. Przewiduje się, że mody wyższych rzędów będą wykazywać gorsze wyniki. Degeneracja modów skutkuje zniekształconymi wiązkami, które przenikają do portu detekcji; aby zbadać efekty degeneracji występujące w tym modelu, przeprowadź symulację ramion wnęk Fabry-Perota, w których powstaje wspomniana degeneracja.Wykorzystaj dane z tych symulacji, aby zidentyfikować niepożądane mody w wiązce krążącej oraz wszelkie rozszczepienia częstotliwości. W tej części filmu w dolnym lewym rogu wyświetlana jest mapa powierzchni lustra, a w dolnym prawym kształty powierzchni lustra z zawartością wielomianu Zer; dostosowuje się je, aby zminimalizować znaczne sprzężenie między wiązką wejściową a modami tego samego rzędu, co pozwala uzyskać większą czystość wiązki krążącej. Profil wiązki pokazany jest w górnym lewym rogu, a jej moc w górnym prawym.W tym przypadku ostatecznie osiągnięto 99% czystości modu cyrkulującego. Końcowa mapa luster przedstawia wymagania dotyczące luster dla modu Legendre'a-Gaussa i może być wykorzystana w symulacjach interferometru w pełnej skali w celu przetestowania usprawnień wydajności. Jest to profil natężenia wiązki modu podstawowego użytej jako wejście do systemu, która została pomyślnie przekonwertowana na tę wiązkę Legendre'a-Gaussa 3,3.Na przedstawionym tutaj przykładzie, który ukazuje wyniki opublikowane w referencji 21, zastosowanie tej metody pozwoliło na wygenerowanie wiązki lagals three three o mocy 82,8 W i czystości 96%. Stopień czystości tej wiązki można ocenić na podstawie tego wykresu residuów dopasowania dla tego modu.Po opanowaniu technika ta może zostać zrealizowana w ciągu kilku tygodni, pod warunkiem że zostanie prawidłowo przeprowadzona od etapu projektowania po ukończenie budowy aparatury. Podczas próby wykonania tej procedury należy zwrócić szczególną uwagę na projekt, wstępną modyfikację układu doświadczalnego oraz dobór i jakość komponentów optycznych. Zazwyczaj osoby rozpoczynające pracę z tą metodą napotykają trudności przy projektowaniu, charakteryzacji i ustawianiu sekcji aparatury odpowiedzialnej za mody wyższego rzędu.Po obejrzeniu tego filmu powinni Państwo posiadać dobrą wiedzę na temat tworzenia modów wyższego rzędu, takich jak mody Gaussa, do zastosowań w interferometrii wysokiej precyzji. Należy pamiętać, że praca z laserami może być niezwykle niebezpieczna, dlatego podczas wykonywania tej procedury zawsze należy przestrzegać środków ostrożności, takich jak noszenie certyfikowanych okularów ochronnych do laserów.

the-generation-higher-order-laguerre-gauss-optical-beams-for-high

Research

JoVE Journal

Engineering

Inżynieria

Generowanie wyższego rzędu wiązek optycznych Laguerre-Gauss dla wysokoprecyzyjnej interferometrii

Aksonotomia laserowa z następującym po niej obrazowaniem time-lapse jest czułą metodą badania wpływu mutacji u C. elegans na regenerację aksonów. Wysokiej jakości, a jednocześnie niedrogi system ablacji laserowej można z łatwością dołączyć do większości mikroskopów. Obrazowanie time-lapse trwające 15 godzin wymaga starannego unieruchomienia nicienia.

Budowa niskobudżetowego systemu laserowej aksonotomii do badania regeneracji aksonów u C. elegans

Referencyjna technika interferometryczna, która ma na celu usuwanie niepożądanych zakłóceń laserowych dla nanodetekcji, jest wykorzystywana do sondowania mikrownęk czynnikowych o ultra wysokiej jakości. Instrukcje dotyczące montażu, konfiguracji i pozyskiwania danych są dostarczane wraz z procesem pomiaru w celu określenia współczynnika jakości gniazda.

Implementacja interferometru referencyjnego do nanodetekcji

Prezentujemy protokół tworzenia w czasie rzeczywistym filmu pakietu molekularnej fali rotacyjnej przy użyciu wysokorozdzielczego zestawu do obrazowania eksplozji kulombowskiej.

Bezpośrednie obrazowanie ultraszybkiej rotacji molekularnej sterowanej laserem

Demonstrujemy transmisję wielu niezależnych sygnałów przez światłowód wielomodowy za pomocą kształtowania czoła fali za pomocą pojedynczego przestrzennego modulatora światła. Modulując czoło fali dla każdego sygnału z osobna, przesyłane są przestrzennie oddzielone ogniska. Potencjalne zastosowania to multipleksowany transfer danych w inżynierii komunikacyjnej oraz endoskopowe dostarczanie światła w biofotonice.

Transmisja wielu sygnałów przez światłowód z wykorzystaniem kształtowania czoła fali

Opisujemy konstrukcję spektrometru CW-SBS do szybkiego rozpraszania Brillouiny stymulowanego falami ciągłymi. Spektrometr wykorzystuje lasery diodowe o pojedynczej częstotliwości i atomowy filtr wycinający do pozyskiwania widm transmisyjnych mętnych/niemętnych próbek o wysokiej rozdzielczości spektralnej przy prędkościach do 100 razy większych niż w przypadku istniejących spektrometrów CW-SBS. To ulepszenie umożliwia szybką analizę materiału Brillouina.<br...

Szybki spektrometr rozpraszania Brillouina stymulowany falami ciągłymi do analizy materiałów

Ten protokół szczegółowo opisuje budowę i działanie mikroskopu 3D do śledzenia pojedynczych cząstek w czasie rzeczywistym, zdolnego do śledzenia nanoskalowych sond fluorescencyjnych przy wysokich prędkościach dyfuzyjnych i niskich szybkościach zliczania fotonów.

Protokół do śledzenia pojedynczych cząstek 3D w czasie rzeczywistym

Pokazujemy, jak zakodować złożone pole wiązek laserowych za pomocą elementu jednofazowego. Interferometr o wspólnej ścieżce jest wykorzystywany do mieszania wyświetlanych informacji o fazie z przestrzennym modulatorem światła tylko w fazie, aby ostatecznie uzyskać pożądany złożony wzór pola na wyjściu systemu obrazowania optycznego.

Kształtowanie amplitudy i fazy wiązek laserowych za pomocą przestrzennego modulatora światła tylko dla fazy

Tutaj opisujemy działanie zintegrowanego obwodu fotonicznego SiN zawierającego optyczne układy fazowane. Obwody służą do emitowania wiązek laserowych o niskiej rozbieżności w bliskiej podczerwieni i kierowania nimi w dwóch wymiarach.

Charakterystyka zintegrowanych optycznych układów fazowych SiN na stanowisku testowym w skali waflowej

Ten protokół opisuje budowę taniego, dyskretnego, sprzężonego światłowodami i z przestrzenią powietrzną etalonowego Fabry'ego-Perota z różnymi zastosowaniami, takimi jak spektroskopia gazów śladowych. Produkcja jest możliwa w każdym obiekcie, w którym dostępny jest standardowy optyczny sprzęt laboratoryjny.

Wytwarzanie taniego, sprzężonego z włóknami i rozmieszczonego powietrznie etalonu Fabry-Pérot

Niniejszy artykuł opisuje metodę eksperymentalną osiągania długotrwałego, stabilnego uwięzienia i precyzyjnego pozycjonowania dużych metalicznych cząstek w powietrzu za pomocą dynamicznej, łódkowatej pułapki fotoforetycznej. System ten umożliwia kontrolowane manipulowanie, które nadaje się do badań interakcji plazmonowych.

Optyczne uwięzienie dużych metalicznych cząstek w powietrzu za pomocą pułapki 'łódka' z bezpośrednio rysowanymi ściankami bocznymi

Poznaj generowanie wiązek optycznych Laguerre'a-Gaussa wyższego rzędu o wysokiej czystości do precyzyjnej interferometrii grawitacyjnej. Metoda wykorzystuje modulatory światła przestrzennego i płytki fazowe.

Generacja wiązek optycznych Laguerre'a-Gaussa wyższego rzędu do precyzyjnej interferometrii

Przeglądaj więcej filmów