Un trasduttore ottico per il rivelatore di onde gravitazionali AURIGA

Presentazione sul tema: "Un trasduttore ottico per il rivelatore di onde gravitazionali AURIGA"— Transcript della presentazione:

1 Un trasduttore ottico per il rivelatore di onde gravitazionali AURIGA
Francesco Marin Maurizio De Rosa 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 strategia sperimentale per la rivelazione di OG si basa su rivelatori acustici di massa elevata e sui più recenti interferometri a lunghi bracci. 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: 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. 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. 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. 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. 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. Evoluzioni future 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). 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. 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. Bibliografia 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, (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 opto-mechanical 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). a) rumore residuo di frequenza; b) rumore fuori risonanza; c) rumore interno al ciclo della stabilizzazione