Ny laserteknologi muliggør mere følsomme gravitationsbølgedetektorer

For et år siden, den første direkte påvisning af gravitationsbølger blev annonceret. Lasereksperter fra Max Planck Institute for Gravitational Physics (Albert Einstein Institute; AEI), fra Leibniz Universität Hannover, og fra Laser Zentrum Hannover e.V. (LZH) spillede hovedroller i denne opdagelse, fordi deres superpræcise laserteknologi i hjertet af LIGO-instrumenterne i USA muliggjorde detektering af svage gravitationsbølgesignaler. Nu, AEI-forskere har præsenteret to nye teknologier, der er i stand til yderligere at øge følsomheden af ​​fremtidige gravitationsbølgedetektorer. Max Planck Society styrker nu udviklingen af ​​lasersystemer til tredje generations gravitationsbølgedetektorer. AEI, i samarbejde med LZH, modtager over de næste fem år 3,75 millioner euro forskningsmidler til udvikling af nye lasere Zentrum Hannover modtager over de næste fem år 3,75 millioner euro forskningsmidler til udvikling af nye lasere og stabiliseringsmetoder.

"Vi har lavet to vigtige gennembrud, " siger Apl. Prof. Benno Willke, leder af laserudviklingsgruppen på AEI. "Vores arbejde er endnu et skridt hen imod at bruge en ny type laserstråleprofil i interferometriske gravitationsbølgedetektorer. Desuden, vi har vist, hvordan man øger effektstabiliteten af ​​de højeffektlasere, der bruges i detektorerne. Dette er vigtige skridt mod fremtiden for gravitationsbølgeastronomi." Resultaterne blev offentliggjort i det anerkendte videnskabelige tidsskrift Optik bogstaver og blev fremhævet af redaktionen.

Mere homogene laserstråler

Strålerne fra alle lasersystemer, der i øjeblikket anvendes i gravitationsbølgedetektorer, har højere intensitet i midten end ved kanterne. Dette fører til en uønsket stærk indflydelse af spejloverfladefluktuationer på målepræcisionen af ​​gravitationsbølgedetektorer. Denne såkaldte termiske støj kan reduceres ved en mere homogen laserintensitetsfordeling.

I 2013 viste et hold med AEI involvering, hvordan mere homogene højeffekt laserstråler i den såkaldte LG ₃₃ tilstand kan oprettes. Nu, Andreas Noack har i sin kandidatafhandling i Benno Willkes team studeret, hvordan disse laserstråler kan føres ind i fremtidige gravitationsbølgedetektorer.

Det første trin på vej ind i detektoren er en enhed kendt som en pre-mode cleaner, som optimerer stråleprofilen og reducerer strålejitter. Willkes team viste, at den nye LG ₃₃ beam er inkompatibel med de pre-mode rengøringsmidler, der i øjeblikket er i brug. Forskerne viste også, hvordan man løser dette problem. De udviklede en ny pre-mode renser, som er kompatibel med LG ₃₃ laserstråler.

"Designet af næste generations gravitationsbølgedetektorer er ikke indstillet, siger Willke. Derfor vi tester forskellige typer lasere for at have så mange muligheder for nye gravitationsbølgedetektorer som muligt. Vi har nu taget et stort skridt foran med den lovende LG ₃₃ bjælker."

Forbedring af lasereffektstabilitet for nye gravitationsbølgedetektorer

Alle interferometriske gravitationsbølgedetektorer som LIGO, Jomfruen, og GEO600 er afhængige af lasersystemer, der holder deres høje udgangseffekt stabil over år, og som viser meget få strømudsving i kort tid. Benno Willkes forskergruppe spiller en verdensomspændende førende rolle på dette forskningsområde. De konstruerede lasersystemerne til GEO600 og Advanced LIGO, uden hvilken den første direkte detektion af gravitationsbølger i september 2015 ikke ville have været mulig.

Nu, Jonas Junker har videreudviklet det eksisterende strømstabiliseringssystem i sit kandidatspeciale i Willkes team. En del af laserlyset opfanges og fordeles på flere fotodetektorer for præcist at bestemme den samlede lasereffekt. Hvis det varierer, hovedlasereffekten korrigeres i overensstemmelse hermed. I deres eksperiment, videnskabsmændene udvidede det nuværende system ved at tilføje, blandt andet, en anden fotodetektor til også at kontrollere og korrigere laserstrålens pegning.

Det forbedrede strømstabiliseringssystem er med succes blevet anvendt på 35 Watt lasersystemet på 10 meter prototype interferometer ved AEI. Prototypen bruges af forskere i Hannover til demonstrationer og test af teknologier til tredje generation af detektorer og til forskning i kvantemekaniske effekter i disse instrumenter. Det opnåede niveau af effektstabilitet er fem gange højere end i sammenlignelige eksperimenter fra andre grupper. Denne værdi stemmer meget godt overens med resultater fra isolerede bordpladeforsøg.

"Et eksperiment i et optisk laboratoriums velisolerede miljø er helt anderledes end et komplekst storskalaeksperiment som 10 meter prototypen. Vi har for første gang vist, at det er muligt at overføre det fremragende stabilitetsniveau fra en bordplade eksperiment, " siger Willke. "Vi viser, at disse fotodiode-arrays fungerer som forventet, hvilket betyder, at det også burde være muligt at opnå denne høje stabilitet med de identiske multi-fotodetektor-arrays, der bruges i Advanced LIGO."