Ett år sedan, den första direktdetekteringen av gravitationella vågor tillkännagavs. Laserexperter från Max Planck Institute for Gravitational Physics (Albert Einstein Institute; AEI), från Leibniz Universität Hannover, och från Laser Zentrum Hannover e.V. (LZH) spelade ledande roller i denna upptäckt, eftersom deras superprecisa laserteknologi i hjärtat av LIGO-instrumenten i USA möjliggjorde detektering av svaga gravitationella vågssignaler. Nu, AEI-forskare har presenterat två nya tekniker som kan öka känsligheten hos framtida gravitationsvågdetektorer ytterligare. Max Planck Society stärker nu utvecklingen av lasersystem för tredje generationens gravitationella vågdetektorer. AEI, i samarbete med LZH, får under de kommande fem åren 3,75 miljoner euro forskningsfinansiering för utveckling av nya lasrar Zentrum Hannover får under de kommande fem åren 3,75 miljoner euro forskningsmedel för utveckling av nya lasrar och stabiliseringsmetoder.

"Vi har gjort två viktiga genombrott, "säger professor Benno Willke, ledare för laserutvecklingsgruppen vid AEI. "Vårt arbete är ytterligare ett steg mot att använda en ny typ av laserstråleprofil i interferometriska gravitationsvågdetektorer. Dessutom har vi har visat hur man kan öka effektstabiliteten för de högeffektlasrar som används i detektorerna. Detta är viktiga steg mot framtiden för gravitationell vågastronomi. "Resultaten publicerades i den berömda vetenskapliga tidskriften Optikbokstäver och framhölls av redaktörerna.

Mer homogena laserstrålar

Strålarna för alla lasersystem som för närvarande används i gravitationella vågdetektorer har högre intensitet i mitten än vid kanterna. Detta leder till ett oönskat starkt inflytande av spegelytas fluktuationer på mätnoggrannheten hos gravitationella vågdetektorer. Detta så kallade termiska brus kan reduceras med en mer homogen laserintensitetsfördelning.

År 2013 visade ett team med AEI-engagemang hur mer homogena kraftfulla laserstrålar i den så kallade LG ₃₃ läge kan skapas. Nu, Andreas Noack har studerat i sin MSc-uppsats i Benno Willkes team hur dessa laserstrålar kan matas in i framtida gravitationsvågdetektorer.

Det första steget på vägen in i detektorn är en enhet som kallas en förlägesrensare, som optimerar strålprofilen och minskar strålskakan. Willkes team visade att den nya LG ₃₃ strålen är inkompatibel med fördriftsrensarna som används för närvarande. Forskarna visade också hur man löser detta problem. De utvecklade en ny för-lägesrensare, som är kompatibel med LG ₃₃ laser strålar.

"Utformningen av nästa generations gravitationella vågdetektorer är inte inställd, "säger Willke." Därför, vi testar olika typer av lasrar för att ha så många alternativ för nya gravitationsvågdetektorer som möjligt. Vi har nu tagit ett stort steg framåt med den lovande LG ₃₃ balkar. "

Förbättrad lasereffektstabilitet för nya gravitationsvågdetektorer

Alla interferometriska gravitationsvågdetektorer som LIGO, Jungfrun, och GEO600 förlitar sig på lasersystem som håller sin höga uteffekt stabil över år och som visar mycket korta tidsskaliga effektfluktuationer. Benno Willkes forskargrupp spelar en världsomspännande ledande roll inom detta forskningsområde. De konstruerade lasersystemen för GEO600 och Advanced LIGO, utan vilken den första direktdetekteringen av gravitationella vågor i september 2015 inte skulle ha varit möjlig.

Nu, Jonas Junker har vidareutvecklat det befintliga kraftstabiliseringssystemet i sin MSc -uppsats i Willkes team. En del av laserljuset plockas bort och distribueras på flera fotodetektorer för att exakt bestämma den totala lasereffekten. Om det varierar, den huvudsakliga lasereffekten korrigeras i enlighet därmed. I deras experiment, forskarna utökade det nuvarande systemet genom att lägga till, bland annat, en annan fotodetektor för att även styra och korrigera laserstrålens pekning.

Det förbättrade effektstabiliseringsschemat har framgångsrikt tillämpats på 35 Watt lasersystem på 10 meter prototypinterferometern vid AEI. Prototypen används av forskare i Hannover för demonstrationer och tester av teknik för tredje generationen detektorer och för forskning om kvantmekaniska effekter i dessa instrument. Nivån på effektstabilitet som uppnås är fem gånger högre än i jämförbara experiment av andra grupper. Detta värde överensstämmer mycket väl med resultat från isolerade bordsförsök.

"Ett experiment i den välisolerade miljön i ett optiskt laboratorium skiljer sig helt från ett komplext storskaligt experiment som 10-meters prototypen. Vi har för första gången visat att det är möjligt att överföra den utmärkta stabilitetsnivån från en bordsskiva experimentera, "säger Willke." Vi visar att dessa fotodioder fungerar som förväntat, vilket betyder att det också borde vara möjligt att uppnå denna höga stabilitet med identiska multifotodetektoruppsättningar som används i Advanced LIGO. "