Caratterizzazione di fasci laser e realizzazione di telescopi ottici nell'ambito di un esperimento EPR per la riduzione del rumore quantistico in Einstein Telescope

Gravitational waves are deformations of space-time generated by the acceleration of masses. To detect them, interferometers with arms several kilometers long are used, whose operating principle is that of the Michelson interferometer. There are three in the world that have already detected gravitational waves: the two LIGOs in the United States and Virgo, near Pisa. Gravitational waves have a very small amplitude, which is why interferometers must have very high sensitivity. Reducing noise is therefore one of the most important challenges. To date, quantum noise is the highest on almost the entire frequency band. One method that is used to reduce quantum noise in gravitational wave detectors uses squeezed vacuum states, which are injected into the interferometer. In the latest run, a Filter Cavity was installed in Virgo and LIGOs, i.e. a detuned optical cavity capable of generating frequency dependent squeezing. An experiment in Virgo is creating a set-up to produce frequency dependent squeezing that uses squeezed entangled light states and would allow reducing quantum noise across the entire frequency band without resorting to the Filter Cavity, which would be very expensive to build for the Einstein Telescope. For this thesis work I collaborated on this experiment. In particular, I designed and built the optical set-up for a squeezing measurement realized using the balanced homodyne technique. I dealt with the characterization of laser beams, the design and building of optical telescopes and the alignment and focusing of the beams on the homodyne photodiodes.

Le onde gravitazionali sono deformazioni dello spazio-tempo generate dall'accelerazione di masse. Per rilevarle vengono utilizzati degli interferometri con bracci lunghi diversi chilometri, il cui principio di funzionamento è quello dell'interferometro di Michelson. Al mondo ne esistono tre che hanno già rivelato onde gravitazionali: i due LIGO negli Stati Uniti e Virgo, vicino Pisa. Le onde gravitazionali hanno un'ampiezza molto piccola, per questo gli interferometri devono avere un’altissima sensibilità. Ridurre i rumori è perciò una delle sfide più importanti. Ad oggi il rumore quantistico è quello più elevato su quasi tutta la banda in frequenza. Un metodo che viene usato per ridurre il rumore quantistico nei rivelatori di onde gravitazionali si avvale di stati di vuoto squeezed, che vengono iniettati nell'interferometro. Nell'ultima run è stata installata in Virgo e nei LIGO una Filter Cavity, ovvero una cavità ottica detunata in grado di generare squeezing frequency dependent. Un esperimento a Virgo sta progettando una nuova tecnica per produrre squeezing frequency dependent che utilizza stati di luce squeezed entangled che permetterebbe di ridurre il rumore quantistico su tutta la banda in frequenza senza ricorrere alla Filter Cavity, che per Einstein Telescope sarebbe molto costosa da costruire. Per questo lavoro di tesi ho collaborato a questo esperimento a Virgo. In particolare ho progettato e costruito l’apparato ottico relativo ad una misura di squeezing effettuata tramite la tecnica dell’omodina bilanciata. Mi sono occupato della caratterizzazione di fasci laser, della costruzione di telescopi ottici e dell’allineamento e focalizzazione dei fasci sui fotodiodi dell’omodina.