Suspended Mirror Pendulum with Radiation Pressure Compensated Laser-Interferometric Position Readout

Abstract

Suspended mirror pendulums have proven to be an important building block in ground-based interferometric gravitational-wave detectors leading to the first observation of a gravitational wave in 2015. Providing a good isolation from seismic ground motion at frequencies above their resonance frequency, they allow the mirrors to act as quasi-free test masses to probe the fabric of spacetime. Suspended mirrors with macroscopic mass can also be used for experiments on gravitational interactions in the quantum regime, which require precise readout and control of the test mass motion.

In this work, I demonstrate an optomechanical tabletop experiment with a suspended cuboid mirror test mass, serving as a common end mirror in a Michelson-Sagnac-type laser interferometer located in a high vacuum. I discuss the properties of damped harmonic oscillators as well as parametric actuation to influence the oscillator’s motion and I examine laser interferometers with classical and quantum noise sources. Furthermore, I designed a Michelson-Sagnac interferometer with power- and signal-recycling capabilities and implemented a passive seismic isolation system to reduce the interferometer’s seismic excitation. In addition, I planned an active seismic isolation technique to improve the setup. I demonstrate an interferometric position readout for the test mass pendulum as well as detection of the deflection angle for high pendulum amplitudes. I designed and implemented an optical setup with two distinct wavelengths to explore the possibilities for radiation pressure feedback cooling of the test mass motion. A high quality factor between 4 × 104 to 7.6 × 104 for the main pendulum mode at 1.435 Hz was achieved with the suspension system presented here. I characterized the mechanical modes of the pendulum by spectral and ringdown measurements using parametric actuation of the pendulum suspension point to excite and cool the pendulum motion. This might be applicable in gravitational-wave detectors to reduce the on-resonance thermal noise without introducing additional noise at frequencies above.

Aufgehängte Spiegelpendel haben sich als wichtiger Baustein in bodengestützten interferometrischen Gravitationswellendetektoren erwiesen, die im Jahr 2015 zur ersten Beobachtung von Gravitationswellen führten. Sie bieten eine gute Isolation von seismischen Bodenbewegungen bei Frequenzen oberhalb der Resonanzfrequenzen und fungieren als quasi-freie Testmassen, um das Raum-Zeit-Gefüge zu untersuchen. Aufgehängte Spiegel mit makroskopischer Masse können auch für Experimente zu gravitativen Wechselwirkungen im Quantenregime verwendet werden, die ein präzises Auslesen und Steuern der Bewegung der Testmasse erfordern.

In dieser Arbeit demonstriere ich ein optomechanisches Tischexperiment mit einer aufgehängten quaderförmigen Spiegeltestmasse, die als gemeinsamer Endspiegel in einem im Hochvakuum befindlichen Michelson-Sagnac Laserinterferometer dient. Ich diskutiere die Eigenschaften gedämpfter harmonischer Oszillatoren sowie parametrischer Ansteuerung zur Beeinflussung der Oszillatorbewegung und betrachte Laserinterferometer mit klassischen und Quantenrauschquellen. Darüber hinaus habe ich ein Michelson-Sagnac-Interferometer mit Leistungs- und Signalrecycling entworfen und ein passives seismisches Isolationssystem implementiert, um die seismische Erregung des Interferometers zu reduzieren. Außerdem habe ich eine aktive seismische Isolationstechnik geplant, um den Aufbau zu verbessern. Ich demonstriere eine interferometrische Positionsauslesung für das Testmassenpendel sowie eine Erfassung des Auslenkwinkels für hohe Pendelamplituden. Des weiteren habe ich einen optischen Aufbau mit zwei unterschiedlichen Wellenlängen entworfen und implementiert, um die Möglichkeiten der Strahlungsdruck-Rückkopplungskühlung der Testmassenbewegung zu untersuchen. Mit dem hier vorgestellten Aufhängungssystem wurde eine hohe Güte zwischen 4 × 104 und 7,6 × 104 für die Hauptpendelmode bei 1,435 Hz erreicht. Ich habe die mechanischen Moden des Pendels durch Spektral- und Ringdown-Messungen charakterisiert. Dabei habe ich parametrische Aktuation des Pendelaufhängungspunkts verwendet, um die Pendelbewegung anzuregen und zu kühlen. Dies könnte in Gravitationswellendetektoren anwendbar sein, um das resonante thermische Rauschen zu reduzieren, ohne zusätzliches Rauschen bei Frequenzen darüber einzukoppeln.