Modulación de fase para interferometría láser homodina

Abstract

[ANGLÈS] Gravitational waves were predicted by Albert Einstein as a direct implication of the theory of General Relativity (1915). Although there are compelling experimental evidences of its existence, its detection has not been possible to the date. LISA (Laser interferometer Space Antenna) mission and its precursor mission LISA Pathfinder were designed as a complementary to terrestrial detectors, like LIGO and VIRGO, in order to obtain direct detection of gravitational waves at the frequency range of 100 μHz < f < 0.1 Hz. In this spectral range, the Universe is rich in gravitational waves sources and the sensitivity of terrestrial detectors is severely degraded. This project describes an implementation of homodyne deep phase modulation interferometer in the context of the space mission LISA, which aims to detect gravitational waves through laser interferometry. In order to do so, a laser diode control has been developed, besides an optical bench where the interferometer is implemented. This interferometric technique is based in a pathlength phase modulation of one interferometer arm with a sinusoidal modulation signal. When the interference is obtained, an algorithm, designed as an extension of the ""J1 … J4" method is applied in order to extract the phase value from the interfered signal. This technique has been proposed like an alternative to heterodyne interferometry to be used in some subsystems of the LISA mission due to the ability to achieve similar performances transferring complexity from optics to electronics. The study represents a starting point for future implementation of a test bench with a stable environment to develop a deep phase modulation interferometer operative with picometer sensitivity at the desired frequency range. This sensitivity value is the minimum required by LISA mission to detect gravitational waves in the space.

[CASTELLÀ] Las ondas gravitacionales fueron predichas por Albert Einstein como una consecuencia de la Teoría de la Relatividad General (1915) y a pesar de que se han obtenido evidencias experimentales de su existencia, hasta el día de hoy no se ha logrado su detección. La misión LISA (Laser Interferometer Space Antenna) y su misión precursora LISA Pathfinder, se proponen como complemento a los detectores terrestres, tales como LIGO y VIRGO, para conseguir detectar ondas gravitacionales en el rango de frecuencias entre 100 μHz < f < 0.1 Hz. En esta región del espectro, el Universo es rico en fuentes de ondas gravitacionales y los detectores terrestres ven su sensibilidad gravemente disminuida. El presente proyecto describe la implementación de un interferómetro homodino de fase modulada en el contexto de la misión espacial LISA cuyo objetivo consiste en detectar ondas gravitacionales en el espacio mediante interferometría láser. Para obtener el interferómetro se diseña e implementa la electrónica de control necesaria para el correcto funcionamiento del láser, además del banco óptico donde se situará el interferómetro. La técnica de interferometría utilizada tiene como principio la modulación del camino óptico mediante una señal sinusoidal portadora. Una vez obtenida la interferencia, para poder extraer el valor de la fase de la señal modulada se utiliza un algoritmo que consiste en una extensión del método conocido como "J1 … J4". La implementación de esta técnica ha sido propuesta como alternativa al uso de la interferometría heterodina en subsistemas en la misión LISA debido a que es posible conseguir prestaciones similares trasladando la complejidad del nivel óptico al electrónico. Este estudio sirve como punto de partida para la futura implementación de un banco de pruebas que contenga las condiciones necesarias para obtener un interferómetro de fase modulada operativo con una sensibilidad del orden de picómetros en el rango de frecuencias de interés comentado. Este valor de sensibilidad es el establecido por la misión LISA para lograr la detección de ondas gravitacionales en el espacio.

[CATALÀ] Les ones gravitatòries van ser predites per Albert Einstein com a una conseqüència de la Teoria de la Relativitat General (1915) i encara que s’han obtingut evidències experimentals de la seva existència, fins avui en dia, no s’ha aconseguit la seva detecció. La missió LISA (Laser Interferometer Space Antenna) i la seva missió precursora LISA Pathfinder, es proposen com a complementaris als detectors terrestres, com LIGO i VIRGO, per aconseguir detectar ones gravitatòries al rang de freqüències entre 100 μHz < f < 0.1 Hz. En aquesta regió de l’espectre, l’Univers és ric en fonts d’ones gravitatòries i els detectors terrestres veuen la seva sensibilitat greument empitjorada. El present projecte descriu la implementació d’un interferòmetre homodí de fase modulada en el context de la missió espacial LISA, l’objectiu de la qual consisteix en detectar ones gravitatòries a l’espai mitjançant interferometria làser. Per obtenir l’interferòmetre es dissenya i s’implementa l’electrònica de control necessària per al correcte funcionament del làser, a més del banc òptic on es situarà l’interferòmetre. La tècnica d’interferometria utilitzada té com a principi de funcionament la modulació del camí òptic mitjançant una senyal portadora sinusoïdal. Un cop obtinguda la interferència per extreure el valor de la fase del senyal modulat, s’utilitza un algoritme que consisteix en una extensió del mètode conegut com a "J1 … J4". La implementació d’aquesta tècnica ha estat proposada com alternativa al ús de la interferometria heterodina en subsistemes a la missió LISA degut a que és possible, aconseguir prestacions similars traslladant la complexitat del nivell òptic a l’electrònic. Aquest estudi serveix com a punt de partida per la futura implementació d’un banc de probes que contingui les condicions necessàries per obtenir un interferòmetre de fase modulada operatiu amb una sensibilitat de l’orde de picòmetres al rang de freqüències d’interès esmentat. Aquest valor de sensibilitat és el establert per la missió LISA per aconseguir la detecció d’ones gravitatòries a l’espai.