An optical parametric oscillator for the generation of tunable squeezed light around 2 micron

The future generation of gravitational-wave detectors will utilise cryogenic silicon test masses to improve on noise sources exploiting the low absorption and scatter of crystalline silicon. To this day, the gravitational-wave detectors exploited the injection of squeezed states into the interferometer for improving the shot-noise limited sensitivity and three gravitational-wave detectors, GEO600, LIGO (H1) and LIGO (L1), showed an improvement on shot noise limited detection. In order to keep the advantage provided by squeezed states of light and to exploit the properties of silicon at the same time, a change of the current operation wavelength used in gravitational-wave interferometers, that is 1064nm, is required due to silicon high two-photon absorption below 1550nm. For this reason, wavelengths in the 2 μm region are set to be the proper to be exploited in future gravitational-wave detectors. In this thesis, we set the path for the production of vacuum squeezed states in the 2 μm region by constructing a laser source emitting in this spectral area. To this purpose, a 1064 nm amplifier capable of delivering up to 10 W of power has been built and is used for pumping an optical parametric oscillator that emits in the 2 μm region with a maximum signal power of ≈ 2.5 W and a pump depletion of ≈ 78%. In addition, some tunability is provided, with the signal wavelength that can be varied between 1880 nm and 2030 nm, whereas the idler one can be set between 2235 nm and 2450 nm. Lastly, a project for a monolithic cavity for the optical parametric oscillator is proposed with the purpose of achieving an even more stable 2 μm laser source.

La prossima generazione di rilevatori di onde gravitazionali utilizzerà masse di prova in silicio criogenico per ridurre le sorgenti di rumore grazie al basso assorbimento e alla poca dispersione del silicio cristallino. Fino ad oggi, i rilevatori di onde gravitazionali si sono serviti di squeezed states direttamente inseriti nell’interferometro per migliorare la sensibilità limitata dal rumore di shot e tre rilevatori di onde gravitazionali, GEO600, LIGO (H1) e LIGO (L1), hanno mostrato un miglioramento rispetto alle misurazioni limitate proprio dal rumore di shot. Per mantenere il vantaggio fornito dagli stati squeezed e al contempo sfruttare le proprietà del silicio, è necessaria una modifica della lunghezza d’onda di funzionamento attualmente utilizzata negli interferometri a onde gravitazionali, ovvero 1064 nm, a causa dell’elevato assorbimento a due fotoni del silicio sotto i 1550 nm. Per questo motivo, le lunghezze d’onda nella regione 2 μm sono le più adatte da utilizzare nei futuri rilevatori di onde gravitazionali. In questa tesi, abbiamo gettato le basi per la produzione di stati squeezed sotto vuoto nella regione dei 2 μm costruendo una sorgente laser che emette in questa area spettrale. A questo scopo, è stato costruito un amplificatore a 1064 nm in grado di erogare fino a 10 W di potenza utilizzato per pompare un oscillatore parametrico ottico che emette nella regione dei 2 μm con una potenza di segnale di ≈ 2.5W e un consumo della pompa del ≈ 78%. Inoltre, è possibile accordare la lunghezza d’onda del segnale in un intervallo dai 1880 nm ai 2030 nm, mentre l’idler può variare tra i 2235 nm e i 2450 nm. Viene infine proposto il progetto di una cavità monolitica per l’oscillatore parametrico ottico con lo scopo di realizzare una sorgente laser a 2 μm ancora più stabile.