激光干涉仪引力波探测器中的主要噪声源

　　激光干涉仪引力波探测器
　　引力波探测是非常困难的，一般说来微弱的引力波信号淹没在很强的探测器的噪声本底中，需要降低噪声，达到足够大的信号噪声比才能将它抽取出来。在引力波探测历史上曾经两次宣布找到了引力波，对世界的轰动不亚于今日。
　　第一次是1969年6月，美国物理学家、马里兰大学教授J·韦伯宣布他领导的研究团队利用共振棒探测器成功地探测到引力波，后来证明是噪声。
　　第二次是2014年3月17日，哈佛-史密松天体物理中心的科学家宣布利用BEP2探测器在宇宙微波背景中发现了原初引力波产生的B模偏振形态，但在后来的分析验证中，由于无法排除星际尘埃产生的“噪声本底”而不能定论。这些事件表明，分析噪声来源，压低噪声水平是引力波探测中的核心问题。
　　激光干涉仪引力波探测器的出现给引力波探测带来巨大希望，由于探测频带宽，灵敏度高，很快在世界各地迅速发展起来，成为引力波探测的主流设备。在近半个世纪的漫长岁月里，经过几代人的艰苦努力，噪声水平逐步压低，灵敏度逐步提高。导致了引力波的发现。为了表彰在激光干涉仪引力波探测器的发明、发展、建造和提高过程中所做的突出贡献，2018年诺贝尔物理学奖授予了美国物理学家R.韦思、K.索恩和B.巴里什教授。
　　激光干涉仪引力波探测器灵敏度的提高也不是一蹴而就的。从臂长只有10来米，灵敏度只有10-17 的原型机到灵敏度为10-22、臂长数千米 的第一代激光干涉仪再到正在运行的灵敏度为10-23的第二代激光干涉仪，无不渗透着几代科学家与噪声奋斗的心血和汗水。当前，第三代激光干涉仪引力波探测器的预制研究已在世界各地开展起来，灵敏度直指10-24，目标是建设真正意义上的引力波天文台。这是一个非常艰难的任务，充满了挑战和机遇。最大的困难仍然是降低噪声。

　　激光干涉仪引力波探测器中的主要噪声源
　　激光干涉仪引力波探测器中的噪声源主要有如下几个方面。
　　2.1 地面震动噪声
　　地面震动噪声是激光干涉仪主要的噪声源之一，它是由于自然现象和人类活动引起的，如火山和地质活动、弱地震和远程地震、月球潮汐、海浪、大风引起的房屋及树木的晃动对地基的影响、大雨及冰雹等自然现象引起的地面震动以及交通运输、工农业生产、矿山开采、森林砍伐、建筑工地等人类活动引起的地面震动。在频率低于1Hz时，自然界的扰动占主导地位，在1Hz之上人类活动起主要作用。0.01Hz到1Hz的微地面震动主要是大风暴雨及海洋活动引起的，甚低频（10-5 Hz 数量级）的地面震动来自月球的潮汐效应。
　　地面震动噪声通过多种途径传递到干涉仪的测试质量，其中测试质量所处地面的水平方向运动会直接导致测试质量的纵向运动。地球表面在其他自由度上的运动也会耦合到测试质量。典型的地面震动幅度为x =α/f 2 ，其中f 是地面振动频率，α是常数，x 一般为10-8~10-6 m数量级，与具体的地域有关。可以看出，地面震动噪声对激光干涉仪引力波探测器灵敏度的影响在低频部分（几十赫兹以下）最严重，而这个频带的地面震动是普通隔震系统最难处理的。一般说来，地面运动幅度为10-6 m数量级，我们期望探测到的引力波的幅度为10-19 m量级，因此要求地面噪声的衰减系数要好于10-13。
　　减小地面震动噪声对测试质量干扰的基本方法是不让测试质量系统直接固定在有噪声的地面上，而是通过一个地面震动过滤器把两者隔离。这个过滤器就是我们所说的地面震动衰减系统。
　　常用的地面震动隔离系统主要有被动隔震和主动隔震系统两大类。被动隔震系统是一种简单的无源机械过滤器，它是各种复杂的机械过滤器的基础。在早期建造的激光干涉仪引力波探测器如LIGO、GEO600 和TAMA300，都采用了级联被动机械过滤器技术。基本方法是在地面上用橡胶板、很重的有弹性的不锈钢板和弹簧交替地堆放在一起，搭建成一个多层的堆积平台，在平台之上放置一个悬挂系统，把镜子悬挂起来。多层的堆积平台和悬挂系统在地面和镜子之间起隔震作用。
　　主动隔震系统有较强的隔震能力，VIRGO及第二代激光干涉仪引力波探测器大都采用这种隔震方式。实用的主动隔震系统至少包括三个基本部分：倒摆、顶台和镜子悬挂系统。
　　2.2 热噪声
　　根据涨落-耗散理论，任何一个受损耗影响的机械系统都会受到位置涨落的影响。激光干涉仪引力波探测器中的镜子（即测试质量）及其悬挂系统就是这样的一种机械系统。镜子的位置必然受这种涨落影响。这种涨落就是所说的热噪声。热噪声的根源是分子的无规则运动，激光干涉仪引力波探测器中的热噪声主要有如下三种类型。
　　A.单摆热噪声
　　在激光干涉仪引力波探测器中，干涉仪的测试质量（即镜子）悬挂于稀薄的空气之中。它所处的周围环境相当于一个具有热量的大容器。测试质量系统通过耗散机制与其进行能量交换。交换来的能量作为一种涨落力注入到测试质量系统中，使其悬挂丝和测试质量体（即镜子）发生热运动，导致位置涨落，形成热噪声。干涉仪中用细丝悬挂起来的镜子整体上可以看成一个单摆。单摆是一个典型的具有损耗的谐振子，单摆热噪声是一种阻尼谐振子的热噪声，它完全可以用阻尼谐振子的热噪声分析方法进行分析。激光干涉仪引力波探测器中的单摆热噪声是比较大的。因此测试质量系统（即镜子）必须置于真空室内，真空室的真空度要好于10-9托。
　　B. 悬挂丝的热噪声——“琴弦模式”
　　如上所述，激光干涉仪引力波探测器中的镜子和其悬挂丝构成一个单摆，作为一个整体，它具有单摆热噪声。与此同时，镜子和悬挂丝自身都可以看成连续机械系统，本身都具有有限的刚度，因此它们都具有弹性内部模式。热噪声源于机械系统的内摩擦。由内摩擦引起的热噪声通常分为悬挂丝热噪声（琴弦模式）和镜面本身热噪声（鼓面模式），前者通过悬丝的涨落直接引起测试质量位置的涨落，而镜子本身的热噪声是镜子内部及其涂层中所有涨落和耗散过程的叠加。
　　悬挂丝的诸多内部正态模式能够被热激发而使丝产生近似于正弦序列的琴弦运动模式。在正弦形状的琴弦运动模式下，悬挂丝的位置会产生波动，使测试质量的质心位置出现涨落形成噪声。这种类型的热噪声模式显示出丝振动模式的谐波性，因此，悬挂丝的这种热噪声模式通常称为琴弦模式。第一琴弦正态模式的频率通常为百赫兹量级，因此有些琴弦正态模式位于引力波探测频带内，对探测灵敏度产生很大的影响。必须引起高度关注。
　　C. 镜体的热噪声——“鼓面模式”
　　镜子本身作为一个连续机械系统，亦可以看成是由无穷多个谐振子构成，它们对应于系统的无穷多个正态模式。每个模式都有自己的共振频率、有效质量和阻尼时间。这使得该连续机械系统具有很多内在的机械共振模式。这些模式能够被热激发而使镜子的表面发生位置涨落形成热噪声。在分析镜子本身的热噪声时，我们感兴趣的参量是对着高斯型激光束的镜子表面位置的涨落。这种由热噪声导致的镜子表面位置的涨落模式通常被称为热噪声的“鼓面模式”。鼓面模式热噪声的共振频率一般比较高，在激光干涉仪引力波探测器覆盖的探测频带内的热噪声是这些共振模式的尾部效应，它对干涉仪的灵敏度也会产生很大的影响。
　　镜子基底材料的结构损失在镜子热噪声中起着重要的作用。为了降低基质热噪声，需要选择机械损耗尽可能低的光学材料做镜子的基底材料，最常用的镜子材料为熔硅，它具有非常低的机械损耗，非常小的光学吸收，出色的均匀性及非常小的双折射。
　　为了得到需要的反射率，镜子表面需要用特殊的材料进行涂镀。沉积在镜子基质表面的涂层是用低折射率材料和高折射率材料交替涂镀15~40 层而成。涂层总厚度为几微米。需要指出的是，在重达几十公斤的镜子中，机械损耗的主要贡献来自在镜子表面沉积的这几微米厚的涂层。镜子涂层的热噪声严重地影响干涉仪的灵敏度，寻找机械耗损低的涂层材料，研究现有涂层材料的机械耗损根源仍是当前令人感兴趣的课题。
　　压低热噪声最有效的方法是将镜子置于低温环境中，KAGRA就是一台低温激光干涉仪引力波探测器，其热噪声得到有效的控制。为了得到很好的散热效果并减少激光束的衍射损失，镜子尺寸要足够大，寻找散热系数好的材料来做镜子的衬垫、涂层和悬挂丝也是当前重要的研究课题。