Die Anwendung von Mephisto der Gravitationswellen-Detektion

Geringe Geräuschentwicklung und hohe Konsistenz zwischen den Geräten

Peer-Reviews sowie Leistungsbewertungen und Lebensdauertests durch andere unabhängige Dritte Mephisto Gravitationswellenanwendungen haben die herausragende Leistung, Zuverlässigkeit und die extrem hohe Konsistenz dieser Laser zwischen den einzelnen Geräten bestätigt.

Über uns

Was die Anforderungen an ein geringes Ausgangsrauschen und eine extrem schmale Linienbreite angeht, würde wohl kaum jemand annehmen, dass die Gravitationswellen-Detektion auf Basis von Langweg-Interferometrie (GWD) derzeit die anspruchsvollste Anwendung für Laser mit schmaler Linienbreite darstellt, die sogar noch höhere Anforderungen stellt als die Atomkühlung. Das Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) hat mehrfach erfolgreich Gravitationswellen nachgewiesen. Das Observatorium ist an zwei Standorten in den USA in Betrieb, einer in Livingston, Louisiana, und der andere in Hanford, Washington.Darüber hinaus hat auch der italienische Gravitationswellendetektor VIRGO erfolgreich Gravitationswellen nachweisen können. Um LIGO von früheren Konfigurationen abzugrenzen,wird es üblicherweise als Advanced LIGO bezeichnet. In diesem Whitepaper untersuchen wir die Rauschanforderungen dieser Anwendung und erörtern, wie und warum Coherent Mephisto LIGO und anderen Detektoren eingesetzt werden. Wir beleuchten zudem einige Ergebnisse und Schlussfolgerungen aus Studien Dritter, Mephisto Gravitationswellendetektoren durchgeführt wurden. Im Rahmen dieser Arbeit wurde speziell die Homogenität Mephisto bewertet, um ihre Eignung für solche hochmodernen Projekte zu beurteilen.

Gravitationswellen-Detektion – Anwendungen mit minimalem Rauschen

Das Ziel von Gravitationswellen-Detektionsprojekten ist die direkte Beobachtung von Gravitationswellen. Gravitationswellen sind winzige Wellen in Raum und Zeit. Bereits 1916 sagte Einstein in seiner Allgemeinen Relativitätstheorie die Existenz von Gravitationswellen voraus. Diese Wellen entstehen durch starke Störungen von Masse und Energie, beispielsweise durch die Annäherung zweier Neutronensterne oder die Verschmelzung zweier Schwarzer Löcher. Neben der Bestätigung der Vorhersagen der Relativitätstheoriewerden diese Beobachtungen auch Aufschluss über Phänomene geben, über die bisher nur wenig bekannt ist, wie Dunkle Materie und Dunkle Energie, und Fragen zur Quantengravitation beantworten. 

Die Messung von Gravitationswellen auf der Erde ist mit unvorstellbaren Schwierigkeiten verbunden, da die Gravitation die bislang schwächste Kraft ist, die der Mensch entdeckt hat, und die Wahrscheinlichkeit, dass solche katastrophalen astronomischen Ereignisse eintreten, sehr gering ist.was bedeutet, dass wir solche Ereignisse aus sehr großer Entfernung detektieren müssen (um einen großen Suchbereich abzudecken), nämlich aus Entfernungen von Dutzenden oder sogar Hunderten von Mpc (1 Mpc entspricht 3,26 Millionen Lichtjahren). Daher müssen Forscher in der Lage sein, zeitliche Modulationen im Bereich von bis zu^-1*10²² zu beobachten. Die bevorzugte Methode zur Detektion dieser winzigen Raum-Zeit-Veränderungen ist die Ferninterferometrie mit hochstabilen Lasern.Diese Interferometer (LIGO, GEO600, Virgo, KAGRA) verfügen alle über mehrere Kilometer lange Messarme, die in einem Winkel von 90° angeordnet sind. Doch selbst bei solchen Längen beträgt die erwartete Verschiebung auf den Referenzspiegeln nur etwa 1/10.000 des Durchmessers eines Protons.Dies entspricht 5 × ^10⁻¹²der Laserwellenlänge von 1064 nm. Die Messung einer Wegabweichung von einem Billionstel der Wellenlänge ist in der optischen Interferometrie beispiellos.Darüber hinaus erfordert diese Messung, dass der gesamte, mehrere Kilometer lange Strahlengang unter ultrahochvakuum-Bedingungen und bei extrem geringem Laserrauschen verläuft.Alle vier Projekte nutzen Coherent Mephisto Oszillatoren der ersten StufeMephisto , maßgeschneiderten Lasersystemen. Die Wahl fiel auf Mephisto , weil frühere unabhängige Untersuchungen bestätigt haben, dass diese Laser das geringste Rauschen [1] und eine hervorragende Gerätekonstanz [2] aufweisen.

LIGO ist eines dieser internationalen Kooperationsprojekte; ein kurzer Überblick darüber verdeutlicht einige der Herausforderungen, die bei der Gravitationswellendetektion mittels Langweginterferometrie im Zusammenhang mit Lasern auftreten. Bei solchen Anwendungen ist der Phasenrauschen der kritische Qualitätsfaktor des Laserrauschens, d. h. die natürliche Schwankung der Laserwellenlänge, die durch die begrenzte Linienbreite und Frequenzstabilität des Lasers bestimmt wird.(Eine kurze Erörterung des Laserrauschens finden Sie Mephisto paper „Ultra-Low Noise and Narrow Linewidth“(Extrem geringes Rauschen und schmaleLinienbreite).)

LIGO besteht aus zwei identischen L-förmigen Interferometern, deren Arme jeweils 4 Kilometer lang sind. Die beiden Interferometer in den USA liegen mehrere tausend Kilometer voneinander entfernt (in Hanford im US-Bundesstaat Washington und in Livingston im US-Bundesstaat Louisiana), damit durch synchrone Messungen echte Ereignisse von lokalen Anomalien unterschieden werden können. 

Die erste Generation von LIGO wurde 2002 fertiggestellt, und man ging davon aus, dass ihre Leistungsfähigkeit (Empfindlichkeit) nahe an der Grenze lag, ab der Gravitationswellen nachgewiesen werden könnten. Allerdings lieferte sie keine Datenereignisse, die eindeutig Gravitationswellen zugeordnet werden konnten, sondern legte eine neue Obergrenze für den beobachtbaren Gravitationsfluss fest, was an sich schon eine wertvolle Information darstellte.Daher wurde eine verbesserte Version, Advanced LIGO, entwickelt und in Betrieb genommen, deren Empfindlichkeit und Frequenzbereich um eine Größenordnung erhöht wurden. Nach jahrzehntelanger intensiver Arbeit und Forschung gelang es LIGO im September 2015 dank der gesteigerten Empfindlichkeit erstmals, Gravitationswellen direkt nachzuweisen [3]. Als Laserquelle am Eingang des LIGO-Interferometers diente Mephisto W Ausgangsleistung, gefolgt von einem Leistungsverstärker und einem Stabilisierungssystem.

LIGO

Bei der neuen LIGO-Anlage wurden die optischen Einrichtungen, das Lasersystem und das Spiegel-Aufhängungssystem überarbeitet, wodurch sich die Empfindlichkeit im Vergleich zu den bisherigen LIGO-Detektoren deutlich verbessert hat.

对激光器的要求是什么？在原始格式中，估计在 ~100 Hz 的频率下，用于进行可能的引力波检测的可接受对功率噪声 (RPN) 为 < 2 x 10^-9 Hz ^-1/2（基于 10 瓦激光功率）。在新的先进 LIGO 设置中，目标激光噪声保持在相同的低水平，但是为了提高数量级灵敏度，激光功率已提高到 200 瓦范围。（单次测量噪声随功率的平方根增加而增加，而信号与功率成正比。） 

Mephisto kommerziellen LaserosMephisto , was zum Teil auf den Einsatz einer Rauschunterdrückungstechnologie zurückzuführen ist, die die Auswirkungen von Relaxationsschwingungen eliminiert [4]. Dennochliegen die LIGO-Rauschanforderungen immer noch um drei Größenordnungen unter den garantierten Rauschspezifikationen Mephisto im freien Betriebsmodus. Darüber hinaus gilt die Einbindung des Oszillators in einen Hauptoszillator-Leistungsverstärker (MOPA) zu integrieren, ähnlich wie bei Mephisto MOPA Hochleistungs-Ringoszillator und dessen Einsatz zur Einspeisung in einen gephasenverriegelten Hochleistungs-Ringoszillator. Unabhängige Studien haben bereits gezeigt, dass sich das minimale Rauschen um bis zu drei Größenordnungen erhöht, wenn Mephisto NPRO-Laser Mephisto in dieser dreistufigen Konfiguration auf den 200-Watt-Bereich erhöht wird [5] – siehe Abbildung 1. In diesem Artikel werden die Techniken, die Anstrengungen und die erzielten Ergebnisse, die bei LIGO zur Erreichung von Leistungen im Bereich von mehreren hundert Watt und einem Rauschen unter ^{10⁻⁸ Hz⁻¹/²} eingesetzt wurden, nicht im Detail behandelt. Durch die Verwendung mehrerer verschachtelter Rauschunterdrückungsschleifen Mephisto und in den nachfolgenden Verstärkerstufen konnte das Rauschen jedoch auf das angestrebte Niveau gesenkt werden.

Mephisto ein sehr geringes relatives Leistungsrauschen, sondern auch ein extrem geringes Frequenzrauschen. Die Empfindlichkeitsziele von LIGO erfordern jedoch eine weitere Senkung des Frequenzrauschens um mehrere Größenordnungen Mephisto . Für LIGO ist es ein Glücksfall, dass Mephisto Frequenzregelungselemente Mephisto , die auf einem piezoelektrischen (schnellen) und einem temperaturgesteuerten (langsamen) Modus zur Anpassung des Laserkavitätsmodus basieren.Diese Elemente können genutzt werden, um das Frequenzrauschen zu reduzieren, indem die Laserfrequenz auf eine externe Referenz (z. B. einen optischen Resonator oder eine molekulare Absorptionslinie) stabilisiert wird. In der LIGO-Anlage dienen diese Steuerungen als Teil einer Reihe von Regelkreisen, die die Laserfrequenz an die optische Referenz koppeln und das Rauschen auf das angestrebte Niveau senken.

Konsistenz und Zuverlässigkeit von Lasergeräten

Die Konsistenz und langfristige Zuverlässigkeit der Laseroszillatoren sind zwei weitere wichtige Anforderungen an Gravitationswellendetektorsysteme wie LIGO. Dies liegt daran, dass LIGOinsgesamt sechs identische, stabile Lasersystemebenötigt (drei Observatorienlaser, zwei Ersatzlaser und ein Referenzsystem), wobei der Stabilitätsgrad die Leistungsfähigkeit der Laseroszillatoren und Verstärker bis an ihre absoluten Grenzen bringt. Das Gesamtrauschen hängt in hohem Maße vom Rauschen des Startlaseroszillators ab.Da zudem die Wahrscheinlichkeit, dass messbare Gravitationswellen die Erde erreichen, sehr gering ist, müssen diese Laser einen langjährigen Dauerbetrieb unterstützen, um die Chancen auf die Erfassung dieser seltenen Ereignisse zu erhöhen.

Patrick Kwee und Benno Willke vom Albert-Einstein-Institut in Hannover veröffentlichten vor einigen Jahren eine Studie, aus der hervorgeht, dass der Bedarf an mehreren identischen Lasern die treibende Kraft hinter GWD-Systemen ist. Die Forscher verglichen Mephisto acht Mephisto und testeten umfassend eine Reihe verschiedener Ausgangsparameter, darunter Leistung und Frequenzrauschen, Richtungsschwankungen und räumliche Moden [2],alle diese Parameter müssen in Anwendungen wie GWD absolut identisch und stabil sein. In dieser Studie testete ein Laser während einer Betriebszeit von 3,5 Monaten (> 3.500 Stunden) automatisch und kontinuierlich verschiedene Parameter. Nach unserem Kenntnisstand handelt es sich hierbei um die bislang größte Gruppe von Lasern mit schmaler Linienbreite, deren Ergebnisse mit denen aus peer-reviewten Fachzeitschriften verglichen wurden.

Um mehrere Parameter gleichzeitig messen zu können, haben diese Forscher ein spezielles Gerät namens „Diagnostic Breadboard“ (DBB) entwickelt. In ihrer veröffentlichten Arbeit heißt es:„Das DBB wurde speziell für die Prüfung der Eigenschaften von linear polarisierten, einfrequenten, kontinuierlichen Laserstrahlen entwickelt. Es kann Leistungsrauschen, Frequenzrauschen und Schwankungen der Strahlausrichtung im Fourier-Frequenzbereich von 1 Hz bis 100 kHz sowie HF-Leistungsrauschen (RF)-Leistungsrauschen und die räumliche Strahlqualität. Abgesehen von den Messungen des HF-Leistungsrauschens erfolgt die Prüfung der Laserstrahleigenschaften vollständig computergesteuert.“ Die automatisierte Messunggilt als entscheidender Faktor zur Vermeidung von Bedienungsfehlern und Subjektivität.

Ihre Untersuchungen zeigen, dass die Abweichungen der Ausgangsparameter der Laser zwischen den einzelnen Geräten sehr gering sind. Abbildung 2 zeigt ein typisches Beispiel für ihre Messdatensätze, aus denen hervorgeht, dass diese acht Testlaser durchweg ein niedriges relatives Leistungsrauschen aufweisen. Die Autoren fassen ihre eingehende Untersuchung dieser acht Mephisto zusammen und stellen fest:„Die charakteristischen Testergebnisse zeigen, dass der NPRO eine hochstabile Laserquelle ist und die Abweichungen zwischen den verschiedenen Exemplaren relativ gering sind.“Daher „NPRO eignet sich hervorragend für den Einsatz in interferometrischen Gravitationswellendetektoren. Aufgrund ihres geringen und stabilen Frequenzrauschens sowie ihrer schnellen Frequenzaktuatoren mit hohem Dynamikbereich eignen sie sich besonders als Verstärker oder als Hauptoszillator in einer Injection-Locked-Konfiguration, wenn eine höhere Ausgangsleistung benötigt wird.“

Mephisto einzelnen Mephisto , dass alle gemessenen Ausgangsparameter während des 3600-stündigen Testzeitraums eine hervorragende Stabilität aufwiesen. Wie die Daten in Abbildung 4 zeigen, stellen die Autoren fest:„Langzeitmessungen des Frequenzrauschens deuten darauf hin, dass das Rauschen sehr stabil zu sein scheint und die Schwankungen zwischen den einzelnen Messungen gering sind.“

Abbildung 4 zeigt ein weiteres Beispiel für langfristige Stabilität. Konkret lassen sich die durch die Umgebungsbedingungen (Luftströmungen) bedingten Einschränkungen bei diesen Messungen teilweise beheben, indem das DBB-System in einer Kammer mit kontrollierter Luftströmung untergebracht wird.

Literaturverzeichnis

[1] R. E. Bartolo, A. Tveten und C. K. Kirkendal, Proc. of SPIE, Band 7503, 750370-1 (2009)
[2] P. Kwee und B. Willke, Appl. Opt. 47, 6022 (2008)
[3] B. P. Abbott et al. (LIGO Scientific Collaboration und Virgo Collaboration), Phys. Rev. Lett. 116, 061102 (2016)
[4] Siehe Coherent, Corp. Mephisto
[5] B. Willke et al., Class. Quantum Grav. 25 (2008) 114040.http://dx.doi.org/10.1088/0264-9381/25/11/114040