美国加州大学：新型自适应光学技术，将引力波探测能力提升10倍

引力波为人类提供了观测宇宙的全新维度，而探测技术的灵敏度直接决定了我们能在这个新维度中“看”多远、“听”多清。近日，美国加州大学河滨分校物理学家 Jonathan Richardson领导的科研团队，在仪器技术领域取得突破性进展，其成果有望引领引力波探测技术实现重大飞跃。该团队成功研发并测试了一款名为“FROSTI”的全尺寸原型装置，可在美国激光干涉引力波天文台 (LIGO) 内部对超高功率激光的波前进行精确操控。相关研究成果发表于Optica。

Jonathan Richardson

在LIGO系统中，反射镜是最关键且最精密的组件之一。每面镜子直径约34 cm、厚度约20 cm、重量约40 kg，其对稳定性要求极高，必须保持绝对静止，才能探测到比质子直径还要小上千倍的时空扰动。任何极微小的振动或环境噪声，都可能淹没引力波的微弱信号。

Jonathan Richardson表示：“我们的核心创新点是研发了一种全新的自适应光学系统，它能够在超过1MW的激光功率下，精确修正并重塑LIGO主镜的光学表面——这相当于普通激光笔功率的十亿倍，几乎是当前LIGO运行功率的五倍。这项技术为引力波天文学的未来开辟了新的方向，标志着向下一代探测器（例如‘宇宙探索者’）迈出重要一步。借助这一进展，人类将能够以前所未有的精度，探索更深远的宇宙奥秘。”

FROSTI（全称 FROnt Surface Type Irradiator）是一种高精度波前控制系统，旨在补偿激光干涉引力波天文台（LIGO）中、由高功率激光加热引起的光学畸变。与现有系统只能进行粗略的调节不同，FROSTI通过精密的热投影机制实现高阶光学校正，这一能力对于未来引力波探测器所需的超高精度至关重要。

虽然FROSTI名称“冰冷”，但其工作原理却很“热”：系统通过精确加热镜面表面，使其恢复至理想的光学形态。FROSTI通过热辐射投射出定制化的温度分布，在消除镜面畸变的同时，最大程度地避免了可能干扰甚至模拟引力波信号的额外噪声。

2015年，LIGO 首次成功探测到引力波，标志着天文学迈入全新的观测时代。然而要充分释放引力波天文学的潜力，未来的探测器必须具备更高的灵敏度，以探测来自宇宙更深处的事件。

Jonathan Richardson指出：“这意味着我们需要同时在激光功率和量子精度两方面实现突破。然而，提升激光功率往往会破坏系统赖以工作的量子态稳定性，而正是这些量子态保证了信号的清晰度。我们的新技术成功解决了这一矛盾，使光学系统即使在兆瓦级功率下仍能保持无畸变状态。”

这一技术的应用将使引力波观测的宇宙视野扩大约十倍，有望让天文学家以前所未有的精度探测到数百万次黑洞与中子星并合事件。

FROSTI 系统预计将在“LIGO A# 升级计划”中发挥关键作用，并为下一代引力波天文台宇宙探索者（Cosmic Explorer）奠定技术基础。当前的 FROSTI 原型机已在LIGO的40 kg级反射镜上完成测试，而其设计理念具备良好的可扩展性，未来将适配“宇宙探索者”中设想的440 kg级镜面。

Jonathan Richardson表示：“当前的原型仅仅是起点，我们正在研制能够校正更复杂光学畸变的升级版本，这将成为未来二十年引力波天文学技术演进的重要基石。”

据悉，该研究由加州大学河滨分校、麻省理工学院及加州理工学院的科学家共同参与，并获得了美国国家科学基金会（NSF）的资助。