중력파 탐지에 사용되는 Mephisto

저소음 및 높은 기기 간 일관성

최첨단 중력파 응용 분야에 대한 Mephisto의 성능과 관련하여 사내 검토와 타사의 평가 그리고 관련 수명 테스트를 통해 이 레이저의 탁월한 성능과 안정성 그리고 우수한 기기 간 일관성이 확인되었습니다.

소개

낮은 출력 노이즈와 매우 좁은 선폭 요구사항과 관련해서는 장거리 간섭계를 기반으로 한 중력파 탐지(GWD)가 현재 원자 냉각보다 훨씬 더 좁은 미세선폭 CW 레이저에서 가장 까다로운 응용 분야를 대표한다고 주장하는 사람은 거의 없을 것입니다. 미국 내 두 곳(루이지애나주 리빙스턴과 워싱턴주 핸퍼드)에서 운영되는 레이저 간섭계 중력파 관측소(LIGO)와 이탈리아의 VIRGO 중력파 탐지기에서 중력파 탐지가 여러 차례 성공적으로 수행되었습니다. LIGO를 과거의 설비와 구분하기 위해서 어드밴스드 LIGO라고 부르기도 합니다. 이 백서에서는 이 응용 분야의 노이즈 요구사항을 살펴보고 Coherent Mephisto 레이저가 LIGO와 기타 탐지기에 어떻게 사용되고 있으며 그 이유가 무엇인지에 대해 다룹니다. 그리고 중력파 탐지기로 Mephisto를 사용하기로 선택하기 이전에 수행한 제3자 연구의 결과와 결론 중 일부에 대해서도 살펴봅니다. 이 연구에서는 이러한 유형의 최첨단 프로젝트에 대한 적합성을 평가하기 위해 Mephisto 레이저의 균일성을 구체적으로 평가했습니다.

중력파 탐지 - 최저 노이즈 적용

중력파 탐지 프로젝트는 1916년에 아인슈타인이 일반 상대성 이론에서 예측했었던 시공간의 미세한 파동인 중력파를 직접 관찰하는 것을 목표로 합니다. 이러한 파동은 쌍중성자별의 나선 궤도나 블랙홀 두 개의 병합과 같은 질량/에너지의 대규모 섭동으로 인해 발생합니다. 이 관측은 상대성 이론의 예측을 확인할 뿐만 아니라 암흑 물질, 암흑 에너지 등 아직 잘 이해되지 않는 현상들을 설명하는 데 도움이 될 것이며 양자 중력에 관한 여러 가지 질문에도 답을 제시해줄 것입니다. 

중력은 단연코 가장 약한 힘이고 이처럼 천체가 격변하는 이벤트가 벌어질 확률이 낮다는 것은 이러한 이벤트를 엄청난 거리에서(많은 탐색량을 커버하기 위해), 즉 수십 또는 심지어 수백 Mpc(1Mpc는 326만 광년) 떨어진 거리에서 탐지해야 한다는 뜻이기 때문에 지구에서 중력파를 측정하는 것은 매우 어렵습니다. 결과적으로, 과학자들은 시공간 안에서 발생하는 10²²분의 1만큼 작은 변조를 관찰할 수 있는 능력이 필요합니다. 이렇게 작은 시공간의 변화를 감지하기 위해 선호되는 접근 방식이 매우 안정적인 레이저를 이용한 장거리 간섭계입니다. 이 간섭계들(LIGO, GEO600, Virgo, KAGRA)은 모두 90도의 각도를 형성하고 있는 수 킬로미터 길이의 팔을 가지고 있습니다. 하지만 이렇게 길어도 미러 표면상에서 기준 질량의 이동이 양성자 직경의 약 1/10000밖에 바뀌지 않을 것으로 예측됩니다. 이것은 1064nm 레이저 파장의 5 x 10^-12에 해당합니다. 1조분의 1의 파장 경로 차이를 측정한다는 것은 광학 간섭계에서 전례가 없는 일입니다. 이를 위해서는 무엇보다 수 킬로미터에 달하는 빔 경로 전체가 초고진공 조건에 있어야 하고 레이저 노이즈가 극도로 낮아야 합니다. 이 4가지 프로그램 모두에서는 안정성이 우수한 맞춤형 레이저 시스템의 첫 번째 단계 발진기로 Coherent Mephisto 레이저를 이용하고 있습니다. Mephisto 레이저를 선택한 주된 이유는 과거에 타 기관의 연구를 통해 이 레이저의 노이즈가 가장 적고[1] 기기 간 일관성이 우수하다는 것[2]이 확인되었기 때문입니다.

이러한 국제 협력 프로그램 중 하나인 LIGO에 대해 간략히 살펴보면 장거리 간섭계를 이용한 중력파 탐지에 있어서 몇 가지 레이저 과제의 규모를 강조하는 데 도움이 됩니다. 이 같은 유형의 응용 분야에서 레이저 노이즈를 제한하는 성능 지수가 위상 노이즈인데, 이것은 그 유한한 선폭과 주파수 안정성에 따른 레이저 파장 내의 자연스러운 흔들림입니다(레이저 노이즈에 대한 간략한 설명은 Mephisto 백서, 초저 노이즈와 좁은 선폭을 참고하십시오).

LIGO는 동일한 형태의 L자형 간섭계 두 개로 구성되며, 각 L자형 팔의 길이가 4km입니다. 미국에 있는 간섭계들은 동기화된 측정값들을 통해 실제 이벤트와 국지적 이상 현상을 구별할 수 있도록 서로 수천 킬로미터만큼 떨어져 있습니다(워싱턴주 핸퍼드와 루이지애나주 리빙스턴). 

1세대 LIGO는 2002년에 완성되었으며 그 성능(감도)은 중력파 탐지 가능성의 최대 한도에 해당하는 것으로 생각되었습니다. 하지만 이 장치가 중력파라고 명확하게 지칭할 수 있을 만한 데이터 이벤트를 생성하지 못함으로써 그 자체로 귀중한 정보인 관측 가능한 중력 플럭스에 대한 새로운 상한선이 설정되었습니다. 그래서 업데이트된 버전인 어드밴스드 LIGO가 개발되었고 이를 통해 감도와 주파수 범위 모두가 10배 증가한 관측이 시작되었습니다. 수십 년간의 집중적인 연구와 감도의 향상을 통해 LIGO는 2015년 9월에 최초로 중력파를 직접 탐지했습니다[3]. LIGO 간섭계의 입력에 사용된 레이저는 Mephisto 2W 출력 전력 장치였으며 그 이후에는 전력 증폭기와 안정화 방식이 사용되었습니다.

어드밴스드 LIGO

어드밴스드 LIGO는 광학 설정과 레이저 시스템 및 미러 서스펜션 시스템의 변경을 통해 LIGO 탐지기의 감도가 크게 향상되었습니다.

레이저 요구사항은 어떻게 될까요? 기존 형식에서는 100Hz 이하의 주파수에서 중력파 감지가 가능한 상대 강도 노이즈(RPN)가 10와트의 레이저 출력을 기준으로 2 x 10^-9Hz ^-1/2 미만으로 추정되었습니다. 새로워진 어드밴스드 LIGO 설비에서는 목표 레이저 노이즈는 동일하게 낮은 수준으로 유지되었지만 감도가 10배 개선됨에 따라 출력이 200와트 범위까지 향상되었습니다(측정 샷 노이즈는 출력의 제곱근만큼 증가하는 반면, 신호는 출력에 비례하여 증가합니다.) 

Mephisto는 상업용 레이저 발진기 중 노이즈가 가장 적은데, 완화 발진의 효과를 제거하는 데 사용되는 Noise Eater 기술[4]이 적용된 것이 그 이유 중 하나입니다. 그럼에도 불구하고 LIGO의 노이즈 요구사항은 자유 작동 모드에서 2와트 Mephisto의 보장 노이즈 사양보다 1,000배 더 낮습니다. 더욱이, 레이저 발진기 출력을 목표치인 200와트 범위로 급증시키기 위해 허용되는 최저 노이즈 접근 방식은 Mephisto MOPA와 비슷하게 MOPA(마스터 발진기 전력 증폭기) 구성에 발진기를 통합하고 이것을 고출력 링 발진기의 주입 동기에 사용하는 것입니다. 과거 독립 기관의 연구에 따르면 Mephisto와 같은 저노이즈 NPRO 유형 레이저를 이 3단계 설정을 통해 200와트 범위로 증폭시켰을 때 최소 노이즈가 최대 1,000배까지 증가하는 것으로 나타났습니다[5](그림 1 참조). LIGO에서 수백 와트의 전력과 10^-8Hz^-1/2 미만의 노이즈를 달성하기 위한 기술에 대한 검토와 그 노력의 결과에 대해서는 여기서 다루지 않겠습니다. 그러나 Mephisto의 출력과 연속 증폭 단계 모두에 여러 가지 중첩된 노이즈 감소 루프를 사용한 결과, 노이즈가 목표 수준으로 감소되었습니다.

Mephisto는 상대 강도 노이즈가 매우 적을 뿐 아니라 주파수 잡음도 매우 낮습니다.  하지만 LIGO 감도 목표를 달성하려면 아직도 이 주파수 노이즈를 Mephisto 레이저의 저노이즈 시작 수준보다 몇 자릿수만큼 더 줄여야 합니다. LIGO에 다행인 점은, Mephisto에는 이미 주파수 제어 요소가 모놀리식 레이저 공동의 피에조(고속) 및 온도(저속) 조정 형태로 포함되어 있다는 것입니다. 이 같은 조정을 통해 레이저 주파수를 광학 공진기나 분자 흡수선 같은 외부의 기준값에 맞게 안정화하여 주파수 노이즈를 줄일 수 있습니다. LIGO 설비에서는 이러한 컨트롤이 레이저 주파수를 광학 기준값에 동기화하고 노이즈를 목표 수준으로 낮추는 일련의 제어 루프의 일부로 사용됩니다.

레이저의 기기 간 일관성과 안정성

LIGO와 같은 중력파 탐지 시스템이 갖춰야 할 또 다른 두 가지 중요한 요건으로 레이저 발진기의 일관성과 장기 안정성이 있습니다. 왜냐하면 LIGO에는 똑같은 안정화된 레이저 시스템이 총 6개 필요하고(관측 레이저 3개, 예비 레이저 2개, 기준 시스템 1개) 안정화의 정도가 레이저 발진기와 증폭기의 성능을 그 절대 한계까지 밀어붙이기 때문입니다. 전체적인 노이즈는 시드 레이저 발진기의 노이즈에 따라 크게 달라집니다. 더욱이, 우리 지구에 도달하는 중력파를 측정할 수 있는 가능성이 낮기 때문에, 이처럼 희귀한 이벤트를 하나라도 감지할 가능성을 높이기 위해 이들 레이저를 사용하여 수년 동안 지속적으로 관찰할 수 있어야 합니다.

GWD(중력파 탐지) 시스템에 동일한 레이저가 여러 개 필요하다는 것은 하노버에 있는 알버트 아인슈타인 연구소의 Patrick Kwee와 Benno Willke가 몇 년 전에 발표한 연구의 주요 동인으로 언급되었습니다. 이 연구진은 전력과 주파수 노이즈, 지향성 변동 및 공간 모드[2]와 같은 여러 가지 출력 매개변수를 적용하여 Mephisto 레이저 8개의 성능을 비교했는데, GWD 같은 응용 분야에서는 이들 매개변수가 모두 동일하고 안정적이어야 합니다. 이 연구에서 레이저 중 하나는 3.5개월(>3,500시간) 동안 작동시키면서 다양한 매개변수를 적용하여 자동으로 그리고 지속적으로 테스트하였습니다. 우리가 아는 한, 이 연구는 미세선폭 레이저들을 비교하여 동료 검토 학술지에 결과를 발표한 최대 규모의 일괄 연구입니다.

여러 매개변수를 동시에 측정하기 위해 이 연구진은 진단 브레드보드(DBB)라는 맞춤형 장비를 개발했습니다. 연구진이 공개한 논문을 인용하면, "이 DBB는 선형 편광 단일 주파수 연속파 레이저 빔의 특성화를 위해 설계되었습니다. 이 장비를 이용해서 1Hz~100kHz의 푸리에 주파수 대역에서 전력 노이즈, 주파수 노이즈 및 빔 지향성 변동을 측정할 수 있고 최대 100MHz의 무선 주파수(RF)에서 전력 노이즈를 측정할 수 있으며 공간 빔 품질을 측정할 수 있습니다. 레이저 빔의 특성화는 RF 전력 노이즈 측정을 제외한 모든 부분이 컴퓨터에 의해 완전히 자동화되었습니다." 측정의 자동화는 작업자 오류/주관성을 배제하기 위한 필수 요소로 인식되었습니다.

이들의 연구에 따르면 기기들 간에 모든 레이저 출력 매개변수의 차이가 현저히 작았습니다. 그림 2는 연구진이 수행한 여러 가지 측정의 일반적인 예를 보여주며, 8개의 테스트 레이저에서 일관성 있게 낮은 상대 강도 노이즈가 나타나고 있습니다. 연구진은 이 8개 Mephisto 레이저를 철저히 분석한 내용을 다음과 같이 요약하고 있습니다. "특성화 결과에 따르면 NPRO는 매우 안정적인 레이저 소스이며 여러 샘플들 간에 차이가 비교적 적은 것으로 나타났습니다. " 그래서 결과적으로 " NPRO는 간섭계 중력파 탐지기에 사용하기에 이상적입니다. 신속하고 높은 동적 범위 주파수 액추에이터와 함께 주파수 노이즈가 낮고 고정적이기 때문에 더 큰 출력 전력이 필요한 경우 증폭기 또는 주입 동기화 구성을 위한 마스터 발진기로 특히 적합합니다."

Mephisto 레이저 하나를 대상으로 실시한 장기 테스트에서도 3600시간의 테스트 기간 동안 측정된 모든 출력 매개변수에서 우수한 안정성이 확인되었습니다. 그림 4의 데이터에서 볼 수 있듯이 연구진들은 "주파수 노이즈를 장기간 측정한 결과 노이즈가 매우 고정적인 것 같았고 측정과 측정 간의 차이도 작은 것으로 나타났습니다."라고 말했습니다.

그림 4는 장기 안정성에 관한 또 다른 예시입니다. 특히, 측정 시 일부 환경적 요인(공기 흐름)에 따른 제약에도 불구하고 안정된 장기 지향성이 관찰되었습니다. 이 제약은 DBB 시스템을 공기 흐름이 조절되는 상자 안에 넣음으로써 일부 해결되었습니다.

참고 문헌

[1]    R.E. Bartolo, A. Tveten, and C.K. Kirkendal, Proc. of SPIE Vol. 7503, 750370-1 (2009)
[2]    P. Kwee and B. Willke, Appl. Opt. 47, 6022 (2008)
[3]    B. P. Abbott et al. (LIGO Scientific Collaboration and Virgo Collaboration), Phys. Rev. Lett. 116, 061102 (2016)
[4]    Coherent, Corp. Mephisto 데이터 시트 참조
[5]    B. Willke et al., Class. Quantum Grav. 25 (2008) 114040. http://dx.doi.org/10.1088/0264-9381/25/11/114040