改善由高阶 Laguerre-Gaussian 模式照明的引力波干涉仪的束流质量

高阶 Laguerre-Gaussian（LG）激光模式已被提出用于减少激光干涉引力波探测器中的测试质量热噪声，因为与目前使用的基本高斯光束相比，它们具有更均匀的强度分布。然而，在具有现实最先进镜面面形误差的引力波探测器的法布里-珀罗臂腔中，LG 光束（如 LG$_{3,3}$ 模式）会因散射到同阶简并模式而遭受显著的束流质量退化，这些简并模式因共享腔共振条件而被共振增强。在这项工作中，我们研究了一种替代的“甜甜圈形”LG$_{0,\ell}$ 类模式，特别是 LG$_{0,6}$ 模式，并展示了改善其性能的策略。这些策略包括引入一个定制的圆形镜面掩模，其中心区域带有抗反射涂层，该掩模选择性地增加寄生简并模式的损耗，同时由于 LG$_{0,6}$ 模式与掩模区域的重叠有限，对其影响最小。我们进一步评估了预期镜面面形误差改善的边际效益以及腔精细度降低的潜在影响。我们证明，这些策略可以将平均对比度缺陷降低两个数量级以上，并将模式损耗降低近五倍，达到当前探测器观测到的典型值或更低水平。这项工作为采用 LG$_{0,\ell}$ 型模式开辟了新的研发途径，这些模式在实现显著热噪声降低的同时，保持了与当前引力波干涉仪相当的束流质量和光学性能。