Système laser de haute-puissance pour le projet Advanced Virgo : les amplificateurs à fibre combinés de façon cohérente

High-power laser system for Advanced Virgo gravitational wave detector : coherently combined master oscillator fiber power amplifiers

• Auteur / Autrice : Li-Wei Wei
• Direction : Catherine Nary Man
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 03/12/2015
• Etablissement(s) : Nice
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences fondamentales et appliquées (Nice ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Astrophysique Relativiste Théories Expériences Métrologie Instrumentation Signaux (Nice) - Astrophysique Relativiste Théories Expériences Métrologie Instrumentation Signaux
• Jury : Président / Présidente : Benno Willke
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Catherine Nary Man, Benno Willke, Frédéric Du Burck, Marc Hanna, Michel Lintz, Nicholas Traynor
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Frédéric Du Burck, Marc Hanna

Mots clés

Mots clés contrôlés

Ondes gravitationnelles

Interférométrie

Amplificateurs à fibres optiques

Lasers à fibre

Mots clés libres

Caractérisation de laser

Amplificateur à fibre

Combinaison cohérente de faisceaux

Interférométrie

Détecteur des ondes gravitationnelles

Laser characterization

Fiber laser amplifier

Coherent beam combination

Interferometry

Gravitational wave detector

Résumé

Virgo est un interféromètre de Michelson dont les bras contiennent des cavités Fabry-Perot. Il a été construit pour détecter directement les ondes gravitationnelles. Le projet Advanced Virgo est une amélioration majeure de Virgo pour atteindre une sensibilité encore plus élevée avec laquelle la détection des ondes gravitationnelles deviendra probable. On prévoit un système laser mono-fréquence de 175 Watts de puissance optique présentant des stabilités accrues pour le bruit relatif de puissance et pour le bruit de fréquence. Ce travail de thèse a pour objet la réalisation de ce système laser de haute-puissance et de haute-stabilité basée sur l'utilisation d'amplificateurs à fibre combinés de façon cohérente. Des amplificateurs à fibre disponibles dans le commerce sont caractérisés en termes de qualité de faisceau, de bruit de puissance, de bruit de fréquence, de stabilité de pointé du faisceau, et également en terme de stabilité à long terme sur quelques milliers d'heures. On implémente l'interférométrie de Mach-Zehnder pour la combinaison cohérente de faisceaux. Les techniques de caractérisation de faisceaux laser sont aussi développées en considérant leurs limites ultimes. Hormis un déficit de puissance optique, le système laser développé dans cette étude sur la base de la combinaison cohérente de Master Oscillator Fiber Power Amplifiers, remplit les conditions posées par Advanced Virgo.

Virgo is a cavity-enhanced Michelson interferometer built for the direct detection of gravitational waves. The Advanced Virgo project consists of major upgrades to the Virgo gravitational wave detector for an order of magnitude improvement in differential strain sensitivity, one of which is the tenfold increase in injected laser power to 175 Watts. The use of fiber laser amplifiers and their coherent combination are foreseen to deliver the required high-power low-noise beam. In this thesis work, we review the laser requirements for gravitational wave detectors, introduce the design of the laser system for Advanced Virgo, and develop the means for laser characterization in accordance with the stringent noise specifications. We then present the results to date, notably the quasi-continuous long-term operation of two 40-Watt fiber laser amplifiers over thousands of hours and their coherent combination with Mach-Zehnder interferometry. Although the targeted power for Advanced Virgo is not yet attained, the developed system shows decent noise performance and is promising for further power-scaling efforts.