用于下一代引力波探测器的克尔增强光学弹簧

引力波的探测是现代物理学最重要的成就之一。 2017年，首次检测到双中子星合并产生的引力波，揭示了有关我们宇宙的重要信息，从短伽马射线爆发的起源到重元素的形成。

然而，由于其频率范围超出了现代引力波探测器(GWD)的范围，探测合并后遗迹中出现的引力波仍然难以实现。这些难以捉摸的波对了解中子星的内部结构具有重要意义，而且由于现代 GWD 每几十年就能观测到一次这些波，因此迫切需要下一代 GWD。

提高 GWD 灵敏度的一种方法是使用光学弹簧放大信号。与机械弹簧不同，光学弹簧利用光的辐射压力来模仿弹簧的行为。光学弹簧(例如 GWD 中的光学弹簧)的刚度由光学腔内的光功率决定。因此，提高光学弹簧的谐振频率需要增加腔内光功率，但这可能会导致热有害效应并妨碍探测器正常工作。

为了解决这个问题，由东京工业大学物理系副教授 Kentaro Somiya 和 Sotatsu Otabe 博士领导的日本研究小组开发了一种突破性的解决方案：克尔增强光学弹簧。

“一种在不增加腔内功率的情况下增强光学弹簧影响的有前途的方法是腔内信号放大。该技术利用非线性光学效应提高腔内的信号放大率，并提高光学弹簧常数。我们的研究表明，光学弹簧克尔效应是成功利用该技术的一种有前途的方法，”Somiya 教授解释道。

他们的研究结果发表在《物理评论快报》杂志上。

该设计涉及通过插入克尔介质在法布里-珀罗型光机械腔中产生腔内信号放大效应。克尔介质在腔内引起光学克尔效应，其中光场改变介质的折射率。这在腔内引入了辐射压力的剧烈梯度，从而在不增加腔内功率的情况下增强了光学弹簧常数。

实验表明，光学克尔效应成功地将光学弹簧常数提高了1.6倍。光学弹簧的谐振频率从53 Hz增加到67 Hz。研究人员预计，随着技术问题的完善，信号放大率会更大。

“所提出的设计易于实现，并为光机械系统提供了一种新颖的可调参数。我们相信，所演示的技术不仅在 GWD 中发挥着关键作用，而且在其他光机械系统中也发挥着关键作用，例如将宏观振荡器冷却到量子基态，”小田部博士说。

总体而言，这种新颖的光学弹簧设计代表了在充分利用光机械系统以及能够揭开宇宙奥秘的增强型GWD的潜力方面迈出的一大步。