Neue Lasertechnologie aus Hannover ermöglicht noch empfindlichere Gravitationswellen-Detektoren

08. Februar 2017

Weitere Stärkung der Forschung von AEI und Laser Zentrum Hannover


Der neuartige am AEI entwickelte Modenfilter für Laserstrahlen in der LG33-Mode, oben im Einsatz im Labor unten schematisch.
© Noack/Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik


Panorama des 10-Meter-Prototyps am Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik in Hannover. Hier werden Technologien für die dritte Generation der Gravitationswellen-Detektoren erforscht.
© Lück/Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik


Das zur Leistungsstabilisierung eingesetzte erweiterte Photodetektorensystem. Links ist schematisch der Strahlengang (rot) des Lasers über Spiegel auf die vier Messphotodioden gezeigt. Rechts das Gerät beim Einbau in den 10-Meter-Prototypen des AEI. Die vier Messphotodioden sind rechts hinten, die zusätzlichen Photodioden zur Stabilisierung der Strahllage sind oberhalb und mit QPD1/2 beschriftet.
© Junker/Kwee/Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik

Vor einem Jahr wurde der erste direkte Nachweis der von Albert Einstein vorhergesagten Gravitationswellen bekanntgegeben. An der Entdeckung waren die Laser-Expertinnen und -Experten des Max-Planck-Instituts für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut; AEI), der Leibniz Universität Hannover und des Laser Zentrum Hannover e.V. (LZH) federführend beteiligt, denn im Herzen der amerikanischen LIGO-Detektoren wird ihre hochpräzise Lasertechnologie zur Messung der schwachen Gravitationswellensignale eingesetzt. Nun haben AEI-Forschende gleich zwei neue Technologien vorgestellt, die geeignet sind, die Empfindlichkeit zukünftiger Gravitationswellen-Detektoren weiter zu verbessern. Die Max-Planck-Gesellschaft stärkt nun die Entwicklung von Lasersystemen für Gravitationswellen-Detektoren der dritten Generation. Im Rahmen eines neuen fünfjährigen Forschungsprojektes erhält das AEI 3,75 Millionen Euro um in Kollaboration mit dem LZH neuartige Laser und Stabilisierungsverfahren zu entwickeln.

„Gleich an zwei Fronten haben wir wichtige Durchbrüche erzielt“, sagt Apl. Prof. Benno Willke, Leiter der Gruppe Laserentwicklung am AEI. „Wir haben einen weiteren Schritt zum Einsatz einer neuartigen Laserstrahlform in interferometrischen Gravitationswellen-Detektoren gemacht. Außerdem haben wir gezeigt, wie wir die Leistungsstabilität der verwendeten Hochleistungslaser weiter erhöhen können. Beide sind entscheidende Schritte in die Zukunft der Gravitationswellen-Astronomie.“ Die Ergebnisse wurden nun in zwei Publikationen in der angesehenen Fachzeitschrift Optics Letters publiziert und als besonders erwähnenswert hervorgehoben.

Gleichmäßigere Laserstrahlen

Die Strahlen der derzeit in allen Gravitationswellen-Detektoren eingesetzten Lasersysteme sind im Zentrum intensiver als an ihrem Rand. Dies führt zu einem unerwünscht starken Einfluss von Fluktuationen der Spiegeloberflächen der Laserinterferometer auf die Messgenauigkeit der Gravitationswellen-Detektoren. Dieses sogenannte thermische Rauschen kann durch eine gleichförmigere Intensitätsverteilung der Laser reduziert werden.

Bereits im Jahr 2013 zeigte ein Team mit AEI-Beteiligung wie sich gleichmäßigere Laserstrahlen hoher Leistung in der sogenannten LG33-Form erzeugen lassen. Nun hat Andreas Noack im Rahmen seiner Masterarbeit im Team von Benno Willke untersucht, wie sich diese Strahlen in einem zukünftigen Gravitationswellen-Detektor einspeisen lassen.

Der erste Schritt auf dem Weg in den Detektor ist die Einspeisung in einen vorgeschalteten sogenannten Modenfilter, der die Strahlform optimiert und das Zittern des Strahls reduziert. Willkes Team zeigte, dass der neue LG33-Strahl mit den derzeit verwendeten vorgeschalteten Modenfiltern inkompatibel ist. Doch die Forschenden lieferten auch gleichzeitig die Lösung für diese Schwierigkeit. Sie konstruierten einen neuartigen Modenfilter, der auch mit den neuen Laserstrahlen kompatibel ist.

„Das Design der nächsten Generation von Gravitationswellen-Detektoren steht derzeit noch nicht fest“, so Willke. „Deshalb untersuchen wir verschiedene Laserkonzepte, um vielfältige Optionen bei der Laserauswahl für neue Detektoren zu haben. Bei der vielversprechenden LG33-Strahlform sind wir nun einen großen Schritt weiter.“

Leistungsstabilere Laser für neue Gravitationswellen-Detektoren

Für alle interferometrischen Gravitationswellen-Detektoren wie LIGO, Virgo und GEO600 sind Lasersysteme notwendig, die ihre hohe Ausgangsleistung über Jahre hinweg hochstabil halten und äußerst geringe Kurzzeitschwankungen aufweisen. Benno Willkes Arbeitsgruppe ist weltweit führend auf diesem Gebiet und konstruierte die Lasersysteme für GEO600 und Advanced LIGO, ohne die der erste direkte Nachweis von Gravitationswellen im September 2015 nicht möglich gewesen wäre.

Nun hat Jonas Junker in seiner Masterarbeit in Willkes Team das existierende Messsystem zur Leistungsstabilisierung weiter verfeinert. Ein Teil des Laserlichts wird abgezweigt, auf mehrere Photodetektoren verteilt und so die Leistung präzise ermittelt. Schwankt diese, wird der Hauptlaser entsprechend nachgeregelt. In ihrem Aufbau erweiterten die Forschenden nun das bestehende System unter anderem um einen weiteren Photodetektor, um auch die Ausrichtung des Lasers besser überprüfen und steuern zu können.

Erfolgreich zum Einsatz kam die verbesserte Leistungsstabilisierung am 35-Watt-Laser des 10-Meter-Prototypen des AEI, an dem Hannoveraner Wissenschaftler Technologien für die dritte Detektorgeneration und quantenmechanische Effekte in ihnen erforschen wollen. Dabei erreichten sie eine Leistungsstabilität, die um einen Faktor fünf höher als vergleichbare Ergebnisse anderer Gruppen liegt. Sie stimmten sehr gut mit den von isolierten Experimenten bekannten Werten überein.

„Ein Aufbau in der gut isolierten Umgebung eines optischen Labors ist eine vollkommen andere Welt als ein komplexes Großexperiment wie der 10-Meter-Prototyp. Wir haben erstmals gezeigt, dass es möglich ist, die hervorragende Leistungsstabilisierung vom Tischexperiment zu übertragen“, sagt Willke. „Das Messsystem mit mehreren Photodetektoren funktioniert wie erwartet. Damit sollte es möglich sein, mit den identischen Systemen in Advanced LIGO ebenso hervorragende Ergebnisse zu erreichen.“

Finanzierung für die Zukunft der Laserentwicklung

Auch in Zukunft werden Hannoveraner Forschende ihre weltweit führende Rolle in der Entwicklung von hochpräzisen Lasersystemen für die Gravitationswellen-Astronomie beibehalten. Die Max-Planck-Gesellschaft unterstützt dazu in einem neuen Projekt die Entwicklung von Lasersystemen für die dritte Detektorgeneration. Das AEI erhält dafür über einen Zeitraum von fünf Jahren die Gesamtsumme von 3,75 Millionen Euro für eigene Forschungsarbeiten und die weitere Kollaboration mit dem LZH.


Weitere Informationen und Abbildungen:
http://www.aei.mpg.de/2009324/opticsletters2017

Kontakt
Apl. Prof. Dr. Benno Willke
Gruppenleiter Laserentwicklung
Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik und Leibniz Universität Hannover
Email: benno.willke@aei.mpg.de
Telefon: +49 (0)511 762 2360

Dr. Benjamin Knispel
Referent für Presse- und Öffentlichkeitsarbeit
Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik
Email: benjamin.knispel@aei.mpg.de
Telefon: +49 (0)511 762 19104

Veröffentlichungen
Jonas Junker, Patrick Oppermann, Benno Willke, Shot-noise-limited laser power stabilization for the AEI 10m Prototype interferometer, Opt. Lett., Vol. 42, Issue 4, pp. 755-758 (2017). DOI: 10.1364/OL.42.000755.

Andreas Noack, Christina Bogan, Benno Willke, Higher-Order Laguerre-Gauss Modes in (Non-) Planar Four-Mirror Cavities for Future Gravitational Wave Detectors, Opt. Lett., Vol. 42, Issue 4, pp. 751-754 (2017). DOI: 10.1364/OL.42.000751.