高光功率悬吊腔中的角向不稳定性

先进引力波探测器使用悬吊测试质量构成光学谐振腔以增强探测器灵敏度。这些腔体存储数百千瓦相干光，未来探测器光功率更高。如此高光功率下，腔内辐射压力效应在测试质量间产生足够强的耦合，使其动力学被显著改变。两个独立的近自由质量动力学变为耦合机械谐振子系统。用于控制测试质量的局部控制系统传递函数因辐射压力效应而被修正。局部控制系统传递函数的变化可导致一类仅在 Sidles-Sigg 不稳定性阈值功率 1.3\% 处发生的新型角向不稳定性。我们报道了在 74~m 悬吊腔、循环功率数千瓦下的实验结果，其功率质量比与当前 Advanced LIGO 相当。辐射压力效应对测试质量而言犹如相对于局部角向控制的附加光学反馈，可能使镜面控制系统失稳。当局部角向控制系统针对最大稳定裕度优化时，不稳定性阈值功率由 4~kW 提升至 29~kW。系统行为与我们的仿真一致，且观测到腔软模与硬模均随功率演化的现象。我们表明该现象很可能显著影响需要极高光功率的拟议引力波探测器。