Оптические изоляторы Фарадея для детектора гравитационных волн LIGO

Проект LIGO (Laser Interferometer for Gravitation Wave Observatory), предназначенный для экспериментального обнаружения гравитационных волн, был предложен в 1992 году Кипом Торном, Рональдом Древером из Калифорнийского технологического института и Райнером Вайссом из Массачусетского технологического института. Проект получил поддержку и финансируется американским Национальным научным фондом. Спустя 10 лет в США были построены два детектора, которые к 2007 году достигли проектных параметров. Однако начальной версии LIGO зарегистрировать гравитационные волны не удалось. Достичь запланированного уровня чувствительности (в несколько раз лучше, чем у начальной версии) удалось лишь в 2015 году, когда была выведена на рабочий режим улучшенная, так называемая, промежуточная версия детекторов. В результате 14 сентября 2015 года был зарегистрирован сигнал гравитационной волны, пришедший от слияния двух черных дыр, произошедшего на расстоянии около 1,3 млрд световых лет от Земли.

В основе каждого из двух детекторов LIGO лежит интерферометр Майкельсона с длиной плеча 4 километра. При прохождении гравитационной волны через детектор расстояние между зеркалами изменяется на чрезвычайно малую величину. Достигнутая чувствительность позволяет обнаружить изменение разности длин плеч меньше, чем на одну десятитысячную диаметра протона (10-19 метра). Одной из причин повышения чувствительности является увеличение рабочей мощности лазера, в результате которого в интерферометре оказывается запертым излучение мощностью более 100 кВт.

Институт прикладной физики Российской Академии наук (ИПФ РАН) вступил в научную коллаборацию LIGO в 1997 году и активно работает в ней по сей день. Наиболее существенным вкладом нижегородских физиков в проект LIGO является создание уникальных оптических изоляторов (изоляторов Фарадея), работающих при большой мощности лазерного излучения. Изолятор Фарадея – это один из ключевых оптических элементов системы, обеспечивающий оптическую развязку между лазером и интерферометром. Именно он позволяет накапливать излучение, пропуская его только в одну сторону – в интерферометр – и «запирая» там. Собственно, изолятор Фарадея состоит из магнитооптического элемента, помещенного в магнитную систему из постоянных магнитов, которая создает поле, сонаправленное с направлением распространения излучения. Поглощение излучения в оптических элементах приводит к их нагреву и, как следствие, изменению оптических свойств. При этом искажается сам проходящий через такой элемент пучок и нарушается работа изолятора Фарадея, приводя к уменьшению степени изоляции.

На все оптические элементы, в том числе и изоляторы Фарадея, в установках, подобных LIGO, накладываются строгие ограничения по степени изоляции, фазовым тепловым искажениям (тепловая линза), а также на ограничения, связанные с работой в глубоком вакууме (остаточное давление 10-9 Торр). Сотрудниками ИПФ РАН впервые была создана теория термонаведенных паразитных эффектов в магнитоактивных средах и предложены способы их уменьшения за счет компенсации эффектов, возникающих в одних оптических элементах, эффектами, возникающими в других оптических элементах. Так, для LIGO была предложена уникальная конструкция изолятора Фарадея, где термонаведенная деполяризация излучения компенсируется внутри магнитной системы с помощью разделения магнитоактивного элемента на две равные части и установки между ними кварцевого вращателя. Фазовые искажения компенсировались с помощью вырезанного особым образом и помещенного в лазерный пучок после изолятора кристалла DKDP (дейтерированный дигидрофосфат калия), обладающего противоположным знаком термооптической постоянной.

Обеспечение вакуумной совместимости изоляторов также являлось важной и сложной задачей. Необходимо было создать конструкцию, в которой не остается воздуха после откачки. Для этого были специальным образом изготовлены магниты и изменен корпус магнитной системы – на нем были предусмотрены каналы и разрезы для удаления воздуха, попавшего между частями магнитной системы. Более того, учитывая, что в условиях вакуума затруднен теплоотвод с оптических элементов, конструкция изолятора была специально разработана таким образом, чтобы выделяющееся в магнитооптическом элементе тепло переходило сначала в корпус прибора, а затем в оптический стол, на котором он закреплен. Реализация изолятора Фарадея предполагала сборку на территории LIGO, что дополнительно затрудняло работу.

В результате сотрудниками ИПФ РАН были созданы прототипы изоляторов Фарадея с требуемыми уникальными параметрами, проведены их испытания в LIGO, изготовлены и установлены изоляторы на оба детектора LIGO. Изоляторы успешно работают и в настоящее время.

А. В. Старобор, н.с., к. ф.-м. н

Изолятор Фарадея, подготовленный к установке в оптическую схему
Процесс сборки аналогичного изолятора для интерферометра Virgo
Настройка устройства, помещенного в оптическую схему