Un trasduttore ottico per il rivelatore
di onde gravitazionali AURIGA
Francesco Marin
Maurizio De Rosa
e-mail: [email protected], [email protected]
http://www.auriga.lnl.infn.it
Le Onde Gravitazionali
Sono previste dalla teoria della Relatività Generale e
sono generate dal moto accelerato di masse. Possono
essere immaginate come ondulazioni dello Spazio-tempo,
il cui effetto sulla materia al suo passaggio è di
strizzarla e allungarla alternativamente secondo le
direzioni perpendicolari a quella di propagazione (sono
onde trasversali).
La cavità Fabry-Perot
E’ un interferometro formato da due specchi
paralleli posti a distanza L l’uno dall’altro. La sua
risposta spettrale in funzione della frequenza è
periodica e dipende dalla distanza L. A variazioni
dL della distanza L corrispondono variazioni df
della frequenza f di un picco di trasmissione:
L f

L
f
La strategia sperimentale per la rivelazione di OG si basa
su rivelatori acustici di massa elevata e sui più recenti
interferometri a lunghi bracci.
T
c/2L
f
Il rivelatore AURIGA
AURIGA è un rivelatore acustico risonante di onde gravitazionali situato nei
Laboratori Nazionali di Legnaro (PD) dell’INFN, costituito da un cilindro di
alluminio lungo 3 m e con diametro 0.6 m, la cui massa è circa 2300 kg. La barra è
tenuta sotto vuoto e isolata meccanicamente attraverso un sistema di
sospensioni, inoltre è raffreddata fino a temperature inferiori a 1 K.
transducer
cavity
Il trasduttore ottico
Consiste di una cavità di Fabry-Perot (FP) ad
alta finesse formata da un primo specchio
fissato su una faccia della barra e da un
secondo specchio montato su un trasduttore
meccanicamente risonante con essa.
La vibrazione della barra si trasmette al
trasduttore risonante determinando una
corrispondente variazione della lunghezza
della cavità FP, quindi una variazione della
frequenza di risonanza ottica. La frequenza
della cavità FP viene interrogata da un laser
la cui frequenza è stabilizzata rispetto a
quella di una seconda cavità FP di riferimento.
optical fiber
beam-splitter
Nd:YAG
laser
Phase
mod.
Shh (1/Hz)
Power
stab.
Frequency
locking
La conversione della vibrazione in un segnale è stata finora realizzata con
trasduttori capacitivi o induttivi e amplificatori SQUID oppure con cavità
risonanti a microonde.
FM sidebands
technique
FM sidebands
technique
Data
acquisition
reference
cavity
Low frequency
locking
Un primo prototipo del trasduttore ottico è
stato sviluppato in collaborazione con la
sezione INFN di Padova e implementato su
una barra a temperatura ambiente, dove ha
funzionato per alcune settimane.
Nei prossimi mesi si prevede di utilizzare il
sistema di trasduzione ottica su una barra a
temperature criogeniche. A Firenze si sta
sviluppando e caratterizzando il sistema laser
stabilizzato in frequenza che serve per
interrogare la cavità del trasduttore.
Il cilindro può essere schematizzato come un oscillatore armonico che risuona
alla frequenza del primo modo longitudinale (~1kHz). Al passaggio di un’onda
gravitazionale il cilindro comincia a vibrare, assorbendo tanta più energia quanto
più vicina è la frequenza dell’onda gravitazionale a quella di risonanza.
Evoluzioni future
temperature
control
Dual Sphere, Dual torus: sono dei rivelatori non risonanti che misurano lo
spostamento differenziale di due masse concentriche su un intervallo di
frequenze compreso tra le due frequenze di risonanza delle singole masse (1
kHz di banda).
pzt actuator
-18
10
-19
10
-20
10
820
840
860
880
900
920
Cavità di Fabry-Perot ripiegata: la superficie degli specchi viene
interrogata da più riflessioni e quindi su un’area maggiore, permettendo di
ridurre il contributo del rumore termico e di pressione di radiazione,
mantenendo invariata la sensibilità rispetto a una cavità semplice.
940
Frequency (Hz)
Il sistema laser
Il sistema è composto da un laser modulato in
fase e due cavità Fabry-Perot uguali. Il laser è
stabilizzati in frequenza rispetto a una delle due
cavità con l’ausilio di una tecnica a modulazione di
frequenza (Pound-Drever), mentre l’altra viene
usata per osservare le fluttuazioni residue di
frequenza.
Frequency Noise (Hz/ Hz)
(a)
M3
C1
QW
PBS
PD
(a)
C2
10
QW PBS
PD
HW
-3
Laser
(c)
Bibliografia
13.3 MHz
10
O.I.
P HW
P
EOM1
EOM2
-4
10
100
1000
Frequency (Hz)
a) rumore residuo di frequenza; b) rumore fuori
risonanza; c) rumore interno al ciclo della stabilizzazione
M3

M2
(b)
BS
Frequency
servo loop
(b)
M1
M2
Analysis
10
-2

M
PD
PD
-1
M4
M1
Power
servo loop
PD
BS
L. Conti, M. De Rosa and F. Marin: “Low-amplitude-noise laser for AURIGA detector optical readout”, Applied Optics
39, 5732 (2000).
M. De Rosa et al.: "First room temperature operation of the AURIGA optical readout". Classical and Quantum
Gravity 19, 1919 (2002).
M. De Rosa, L. Conti, M. Cerdonio, M. Pinard, and F. Marin: “Experimental measurement of photothermal effect in
Fabry-Perot cavities”. Physical Review Letters 89, 237402 (2002).
L. Conti, M. De Rosa, and F. Marin: “High spectral purity laser system for the AURIGA detector optical readout”.
Journal of the Optical Society of America B 20, 462(2003).
L. Conti, M. De Rosa, F. Marin, L. Taffarello and M. Cerdonio: “Room temperature GW bar detector with optomechanical readout”. Applied Physics 93, 3589 (2003).
F. Marin, L. Conti and M. De Rosa: “A folded Fabry-Perot cavity for optical sensing in gravitational wave detectors”.
Physics Letters A 309, 15 (2003).
F. Marin, L. Conti and M. De Rosa: “An optical readout scheme for advanced acoustic gravitational wave detectors”.
Classical and Quantum Gravity In corso di pubblicazione (2004).