Advanced LIGO Design and Simulation Tools

Lisa Barsotti (MIT)

GWDAW 2010,  Kyoto

Historical Context

1st generation

1st generation +

2nd generation 

3rd generation 

2nd generation +

Historical Context

1st generation

1st generation +

2nd generation 

3rd generation 

2nd generation +

4th generation !! 

Outline

 Design Process Questions we asked ourselves Some of the answers we found by means of simulations

 Thoughts on simulation tools Conclusions

(Naive) Design Process

Simulations can’t help you anymore….

Parametric Instabilities

Gas Damping Noise

aLIGO Design Fundamental Noises:

SEISMIC NOISE THERMAL NOISE SHOT NOISE

GWINC (Matlab)

Arm cavities: 4 kmMax Power:  125W 

Can we control our IFO?

 New optical configuration: Signal Recycling Stable cavities

 High Power More (coupled) DOFs Noise performance down to 10 Hz New suspensions and actuators 

Can we control our IFO? Arm cavities: 4km Max Power:  125W  Arm Finesse: 450  ITM T: 1.4%, PRM T:3%, SRM T=20% Schnupp asymmetry: 5cm Modulation Frequencies: 9 & 45 MHz Recycling cavities: 57m

Length sensing and control scheme (LSC): Modulation Frequencies

 Error signals Control loops (Looptickle, now Lentickle)

  OPTICKLE

Can we align our IFO?

 High Power: radiation pressure effects

 Stable cavities are good, but:          alignment signals smaller more mirrors to control

Physics Letters A 354 (2006) 167–172

2

121 ),,,(ˆ

PLggkoptkpend kpendkopt

Can we align our IFO?  Optickle model of angular DOFs (PICKLE)  Complete Matlab model of the aLIGO suspension + seismic isolation         

system performance

Are the control noises compatible with the design sensitivity?

OPTICKLE

How do we deal with thermal effects?Stationary Interferometer Simulation

Mode matching stability vs input power: optimal Gouy phases Compromise with alignment sensing 

Arain, Mueller ROCs (m):Rprm = -11.45Rpr2 = -4.516Rpr3 = 36.00 

Rsrm = -5.250Rsr2 = -6.455Rsr3 = 36.00

vGouyPRC = 24.803vGouySRC = 20.342

Beam Sizes (mm): PRM       2.3 PR2        6.1 PR3      54

 SRM        1.9 SR2         8.23 SR3       54

Can we robustly lock our IFO?

Hierarchical Control of the             Quadruple Suspension (SIMULINK)

John, Bram (ANU)

The 40m will experimentally study lock acquisition for aLIGO this year

Work on Hierarchical Control on the Quad Prototype at MIT

 Yes, but extra hardware is needed  ALS             (green beams)

End2End (C++)

Do we know our main actuator?

                            (John Miller) 

Electro-Static Drive (ESD)

5mm GAP between the Test Masses and the ESDs:Gas Damping Noise (Rai)

(Matt Evans)

COMSOL

MONTECARLO

Questions not answered (yet)

 Locking signals vs static mirror misalignments     (asked by Hartmut 2 years ago):                             FINESSE can do it…lazy simulator

 Model for OMC alignment Full signal chain with electronic noise, ADC/  

DAC, whitening filters, saturations, etc.. Add your own

Some Thoughts on Simulation Tools It can be hard to find  answers, but it is also hard 

      to ask the right questions

 Which questions are the   right ones is not obvious

 You might already know the answer.  You might be able to write it on an envelope, but you might be wrong…that’s why good simulation tools are     needed!  

Conclusions

 aLIGO design phase is ending..we are actually  building it!

 Massive use of simulation in the design  process 

 Hard to find optimal solutions: trade offs Models will be useful to understand the as    

built IFO as well….keep simulations handy!  

18

Sidles-Sigg InstabilitiesPhysics Letters A 354 (2006) 167–172

2

121 ),,,(ˆ

PLggkopt

Torque induced by radiation pressure

Ikk

f

Ikk

f

pendSoftSoft

pendHardHard

21

21

 Modification of the pendulum resonance frequencies:

x1

x1

x2

x2

2

21

1c2

c2c1

c1

kpend kpendkopt

HARD

SOFT