Een jaar geleden, de eerste directe detectie van zwaartekrachtsgolven werd aangekondigd. Laserexperts van het Max Planck Institute for Gravitational Physics (Albert Einstein Institute; AEI), van de Leibniz Universität Hannover, en van het Laser Zentrum Hannover e.V. (LZH) een leidende rol gespeeld bij deze ontdekking, omdat hun supernauwkeurige lasertechnologie in het hart van de LIGO-instrumenten in de VS de detectie van zwakke zwaartekrachtsgolfsignalen mogelijk maakte. Nutsvoorzieningen, AEI-onderzoekers hebben twee nieuwe technologieën gepresenteerd die in staat zijn om de gevoeligheid van toekomstige zwaartekrachtgolfdetectoren verder te vergroten. De Max Planck Society versterkt nu de ontwikkeling van lasersystemen voor zwaartekrachtgolfdetectoren van de derde generatie. de AEI, in samenwerking met de LZH, ontvangt de komende vijf jaar 3,75 miljoen euro onderzoeksfinanciering voor de ontwikkeling van nieuwe lasers Zentrum Hannover ontvangt de komende vijf jaar 3,75 miljoen euro onderzoeksfinanciering voor de ontwikkeling van nieuwe lasers en stabilisatiemethoden.

"We hebben twee belangrijke doorbraken gemaakt, " zegt Apl. Prof. Benno Willke, leider van de laserontwikkelingsgroep bij de AEI. "Ons werk is een volgende stap in de richting van het gebruik van een nieuw type laserstraalprofiel in interferometrische zwaartekrachtgolfdetectoren. Bovendien, we hebben laten zien hoe we de vermogensstabiliteit van de krachtige lasers die in de detectoren worden gebruikt, kunnen vergroten. Dit zijn belangrijke stappen in de richting van de toekomst van astronomie met zwaartekrachtgolven." De resultaten werden gepubliceerd in het gerenommeerde wetenschappelijke tijdschrift Optica Letters en werden benadrukt door de redactie.

Meer homogene laserstralen

De bundels van alle lasersystemen die momenteel in zwaartekrachtgolfdetectoren worden gebruikt, hebben een hogere intensiteit in het midden dan aan de randen. Dit leidt tot een ongewenste sterke invloed van spiegeloppervlakfluctuaties op de meetnauwkeurigheid van zwaartekrachtgolfdetectoren. Deze zogenaamde thermische ruis kan worden verminderd door een meer homogene laserintensiteitsverdeling.

In 2013 liet een team met betrokkenheid van AEI zien hoe meer homogene high-power laserstralen in de zogenaamde LG ₃₃ modus kan worden aangemaakt. Nutsvoorzieningen, Andreas Noack heeft in zijn masterscriptie in het team van Benno Willke onderzocht hoe deze laserstralen in toekomstige zwaartekrachtgolfdetectoren kunnen worden ingevoerd.

De eerste stap op weg naar de detector is een apparaat dat bekend staat als een pre-mode cleaner, die het bundelprofiel optimaliseert en bundeljitter vermindert. Het team van Willke liet zien dat de nieuwe LG ₃₃ beam is niet compatibel met de pre-mode cleaners die momenteel in gebruik zijn. De onderzoekers lieten ook zien hoe dit probleem op te lossen. Ze ontwikkelden een nieuwe pre-mode cleaner, die compatibel is met de LG ₃₃ laserstralen.

"Het ontwerp van de zwaartekrachtgolfdetectoren van de volgende generatie staat niet vast, " zegt Willke. "Daarom, we testen verschillende soorten lasers om zoveel mogelijk opties voor nieuwe zwaartekrachtgolfdetectoren te hebben. We hebben nu een grote stap voorwaarts gemaakt met de veelbelovende LG ₃₃ balken."

Verbetering van de stabiliteit van laservermogen voor nieuwe zwaartekrachtgolfdetectoren

Alle interferometrische zwaartekrachtgolfdetectoren zoals LIGO, Maagd, en GEO600 vertrouwen op lasersystemen die hun hoge uitgangsvermogen jarenlang stabiel houden en die zeer weinig korte tijdschommelingsvermogensfluctuaties vertonen. De onderzoeksgroep van Benno Willke speelt wereldwijd een leidende rol op dit onderzoeksgebied. Zij bouwden de lasersystemen voor GEO600 en Advanced LIGO, zonder welke de eerste directe detectie van zwaartekrachtsgolven in september 2015 niet mogelijk zou zijn geweest.

Nutsvoorzieningen, Jonas Junker heeft het bestaande stroomstabilisatiesysteem verder verfijnd in zijn MSc-scriptie in het team van Willke. Een deel van het laserlicht wordt opgepikt en verdeeld over meerdere fotodetectoren om het totale laservermogen nauwkeurig te bepalen. Als het varieert, het hoofdlaservermogen wordt dienovereenkomstig gecorrigeerd. In hun experiment hebben de wetenschappers breidden het huidige systeem uit door toe te voegen, onder andere, een andere fotodetector om ook het richten van de laserstraal te controleren en te corrigeren.

Het verbeterde schema voor vermogensstabilisatie is met succes toegepast op het 35 Watt-lasersysteem van de 10 meter lange prototype-interferometer bij de AEI. Het prototype wordt door onderzoekers in Hannover gebruikt voor demonstraties en testen van technologieën voor de derde generatie detectoren en voor onderzoek naar kwantummechanische effecten in deze instrumenten. Het bereikte niveau van vermogensstabiliteit is vijf keer hoger dan dat in vergelijkbare experimenten van andere groepen. Deze waarde komt zeer goed overeen met de resultaten van geïsoleerde tafelexperimenten.

"Een experiment in de goed geïsoleerde omgeving van een optisch laboratorium is totaal anders dan een complex grootschalig experiment zoals het prototype van 10 meter. We hebben voor het eerst aangetoond dat het mogelijk is om het uitstekende stabiliteitsniveau van een tafelblad over te brengen experiment, " zegt Willke. "We laten zien dat deze fotodiode-arrays werken zoals verwacht, wat betekent dat het ook mogelijk moet zijn om deze hoge stabiliteit te bereiken met de identieke multi-fotodetectorarrays die worden gebruikt in Advanced LIGO."