高阶 Hermite-Gauss 模光学腔中对准与模匹配的实验演示

高阶空间激光模近来被研究作为降低先进 LIGO 等地基引力波探测器中测试质量热噪声的候选方案。其中,高阶 Hermite-Gauss(HG)模因其对随机测试质量表面形变更具鲁棒性,以及更强的传感与控制能力,受到学界关注。在本快报中,我们对 HG 模干涉测量的多个方面进行实验研究。我们生成了最高至 12 阶 $\mathrm{HG}_{6,6}$ 模的纯化 HG 模,其中 $\mathrm{HG}_{3,3}$ 与 $\mathrm{HG}_{6,6}$ 模的功率转换效率分别为 38.8% 和 27.7%。我们首次展示了最高至 $\mathrm{HG}_{6,6}$ 模的失准与模失配引起的功率耦合损耗测量。我们报道了与扩展数值功率损耗因子极好的一致:在“小功率损耗”区域,失准或模失配的 $\mathrm{HG}_{n,n}$ 模分别收敛于 $2n+1$ 或 $n^2+n+1$。我们还展示了最高至 $\mathrm{HG}_{6,6}$ 模的波前传感(WFS)信号测量。测量结果与理论 WFS 增益 $\beta_{n,n-1}\sqrt{n} + \beta_{n,n+1}\sqrt{n+1}$ 精确相符,其中 $\beta_{n,n-1}$ 为相邻 $\mathrm{HG}_{n,n}$ 与 $\mathrm{HG}_{n-1,n}$ 模在分裂光电探测器上的拍频系数。