Mephisto Anwendungen für die Detektion von Gravitationswellen

Geringes Rauschen und hohe Einheit-zu-Einheit-Konsistenz

Gutachten von Experten und andere unabhängige Bewertungen der Leistung des Mephisto für modernste Gravitationswellenanwendungen sowie relevante Lebensdauertests bestätigen die überragende Leistung, Zuverlässigkeit und hohe Konsistenz dieser Laser.

Einleitung

Im Hinblick auf geringes Ausgangsrauschen und Anforderungen an eine ultraschmale Linienbreite würde kaum jemand behaupten, dass die auf Langweginterferometrie basierende Gravitationswellendetektion (GWD) derzeit die anspruchsvollste Anwendung für CW-Laser mit schmaler Linienbreite darstellt – sogar noch mehr als die Atomkühlung. Eine Reihe erfolgreicher Nachweise von Gravitationswellen wurden am Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) durchgeführt, das an zwei Standorten in den USA betrieben wird, einem in Livingston, Louisiana, und einem weiteren in Hanford, Washington, sowie am Gravitationswellendetektor VIRGO in Italien. Um LIGO von früheren Setups zu unterscheiden, wird es oft als Advanced LIGO bezeichnet. In diesem Whitepaper betrachten wir die Rauschanforderungen für diese Anwendung und diskutieren, wie und warum Mephisto Laser von Coherent in LIGO und anderen Detektoren verwendet werden. Wir untersuchen auch einige Ergebnisse und Schlussfolgerungen einer Studie Dritter die der Auswahl von Mephisto für den Einsatz in Gravitationswellendetektoren vorausging. Bei dieser Arbeit wurde speziell die Gleichmäßigkeit der Mephisto Laser bewertet, um ihre Eignung für diese Art von innovativem Projekt zu beurteilen.

Gravitationswellendetektion – die Anwendung mit dem geringsten Rauschen

Projekte zur Erkennung von Gravitationswellen zielen auf die direkte Beobachtung von Gravitationswellen ab – winzige Wellen in der Raumzeit, die von Einstein bereits im Jahr 1916 als Teil seiner Allgemeinen Relativitätstheorie vorhergesagt wurden. Diese Wellen entstehen bei größeren Störungen der Masse/Energie, wie z. B. bei der Inspiration von binären Neutronensternen oder der Verschmelzung zweier schwarzer Löcher. Diese Beobachtungen bestätigen nicht nur die relativistischen Vorhersagen, sondern werfen auch Licht auf schlecht verstandene Phänomene wie dunkle Materie und dunkle Energie und beantworten Fragen zur Quantengravitation. 

Die erdgebundene Messung von Gravitationswellen ist eine unglaubliche Herausforderung, denn die Schwerkraft ist bei weitem die schwächste Kraft und die geringe Wahrscheinlichkeit dieser kataklysmischen Himmelsereignisse bedeutet, dass sie in immensen Entfernungen nachgewiesen werden müssen (um ein großes Suchvolumen abzudecken), nämlich in Dutzenden oder sogar Hunderten von Megaparallaxensekunden (1 Mpc sind 3,26 Millionen Lichtjahre). Folglich müssen die Forscher in der Lage sein, Modulationen in der Raumzeit zu beobachten, die so klein wie 1 Teil in 10²² sind. Der bevorzugte Ansatz zur Erkennung dieser winzigen räumlich-zeitlichen Verschiebungen ist die Langstrecken-Interferometrie mit ultrastabilen Lasern. Diese Interferometer (LIGO, GEO600, Virgo, KAGRA) haben alle kilometerlange Arme, die um 90 Grad abgewinkelt sind. Aber selbst bei diesen Längen werden Verschiebungen der Spiegelflächen der Referenzmassen nur um etwa 1/10.000 des Durchmessers eines Protons vorhergesagt. Das entspricht 5 x 10^-12 der Laserwellenlänge von 1.064 nm. Die Messung eines Billionstels eines Wellenlängenunterschieds ist ein absolutes Novum in der optischen Interferometrie. Neben anderen Anforderungen muss der gesamte Strahlengang von mehreren Kilometern unter Ultrahochvakuumbedingungen und extrem geringem Laserrauschen erfolgen. Alle vier dieser Programme verwenden Mephisto Laser von Coherent als Oszillatoren der ersten Stufe in ihren hochstabilen kundenspezifischen Lasersystemen. Die Mephisto Laser wurden vor allem deshalb ausgewählt, weil unabhängige Studien zuvor bestätigt haben, dass diese Laser das geringste Rauschen [1] und eine hervorragende Konsistenz von Einheit zu Einheit bieten [2].

Eine kurze Untersuchung eines dieser internationalen Kooperationsprogramme – LIGO – dient dazu, das Ausmaß einiger Laserherausforderungen bei der Gravitationswellendetektion mittels Langweginterferometrie hervorzuheben. Bei dieser Art von Anwendung ist das Phasenrauschen der begrenzende Gütefaktor für Laserrauschen – natürliche Schwankungen der Laserwellenlänge, die durch die begrenzte Linienbreite und die Frequenzstabilität bestimmt werden. (Eine kurze Erörterung des Laserrauschens finden Sie im Mephisto White Paper, Extrem geringes Rauschen und schmale Linienbreite).

LIGO besteht aus zwei identischen L-förmigen Interferometern, wobei jeder Arm des L 4 km lang ist. Die Interferometer in den USA befinden sich in mehreren tausend Kilometern Entfernung (Hanford, Washington und Livingston, Louisiana), sodass synchronisierte Messungen zwischen realen Ereignissen und lokalen Anomalien unterscheiden können. 

Die erste Generation von LIGO wurde im Jahr 2002 fertiggestellt und seine Leistung (Empfindlichkeit) wurde als nahe an der Grenze der möglichen Gravitationswellendetektion angesehen. Es wurden jedoch keine Datenereignisse erzeugt, die eindeutig Gravitationswellen zugeordnet werden konnten. Damit wurde eine neue Obergrenze für den beobachtbaren Gravitationsfluss gesetzt, was an sich schon eine wertvolle Information ist. Infolgedessen wurde eine aktualisierte Version, Advanced LIGO, entwickelt und begann mit Beobachtungen, die sowohl die Empfindlichkeit als auch den Frequenzbereich um eine Größenordnung erhöhten. Nach Dutzenden von Jahren intensiver Arbeit und Forschung und mit seiner erhöhten Empfindlichkeit gelang LIGO im September 2015 der erste direkte Nachweis von Gravitationswellen [3]. Die am Eingang des LIGO-Interferometers verwendeten Laser waren Mephisto Laser mit 2 W Ausgangsleistung, gefolgt von Leistungsverstärkern und Stabilisierungssystemen.

Advanced LIGO

Advanced LIGO hat die Empfindlichkeit der LIGO Detektoren durch Änderungen des optischen Aufbaus, des Lasersystems und der Spiegelaufhängungen deutlich erhöht.

Was sind die Anforderungen an den Laser? Im ursprünglichen Format wurde geschätzt, dass bei einer Frequenz von ~100 Hz das akzeptable relative Leistungsrauschen (RPN) für die mögliche Entdeckung von Gravitationswellen < 2 x 10^-9 Hz ^-1/2 war, basierend auf einer Laserleistung von 10 Watt. Bei der neuen Advanced LIGO Einrichtung wurde das Rauschen des Ziellasers auf demselben niedrigen Niveau gehalten, aber die Leistung wurde im Rahmen der Verbesserung der Empfindlichkeit um eine Größenordnung in den 200-Watt-Bereich erhöht. (Das Schrotrauschen der Messung steigt mit der Quadratwurzel aus der Leistung, während das Signal proportional zur Leistung zunimmt). 

Mephisto bietet das geringste Rauschen aller kommerziellen Laseroszillatoren, was zum Teil auf die Noise Eater-Technologie [4] zurückzuführen ist, mit der die Auswirkungen von Relaxationsschwingungen eliminiert werden. Nichtsdestotrotz liegt die LIGO Rauschanforderung um drei Größenordnungen unter der garantierten Rauschspezifikation des 2-Watt-Mephisto im freilaufenden Modus. Darüber hinaus besteht der akzeptierte rauschärmste Ansatz zur Erhöhung der Leistung des Laseroszillators auf den angestrebten Bereich von 200 Watt darin, den Oszillator in eine MOPA-Konfiguration (Master Oscillator Power Amplifier) einzubinden, ähnlich dem Mephisto MOPA, und diesen zur Injektionsverriegelung eines Hochleistungsringoszillators zu verwenden. Unabhängige Untersuchungen haben bereits gezeigt, dass das minimale Rauschen um bis zu drei Größenordnungen ansteigt, wenn ein rauscharmer NPRO-Laser wie Mephisto in diesem dreistufigen Aufbau auf 200 Watt verstärkt wird [5] – siehe Abbildung 1. Ein Überblick über die Techniken und Ergebnisse der Bemühungen, bei LIGO Hunderte von Watt Leistung und ein Rauschen unter 10^-8 Hz^-1/2 zu erreichen, würde den Rahmen dieses Artikels sprengen. Durch den Einsatz mehrerer verschachtelter Rauschunterdrückungsschleifen, die sowohl am Ausgang von Mephisto als auch in den nachfolgenden Verstärkungsstufen eingesetzt werden, konnte das Rauschen jedoch auf das Zielniveau reduziert werden.

Der Mephisto bietet nicht nur ein sehr niedriges Relatives Leistungsrauschen, sondern auch ein extrem niedriges Frequenzrauschen.  Für die angestrebte Empfindlichkeit von LIGO muss dieses Frequenzrauschen jedoch um Größenordnungen gegenüber dem niedrigen Ausgangsrauschen des Mephisto Lasers reduziert werden. Zum Glück für LIGO enthält der Mephisto bereits Elemente zur Frequenzkontrolle in Form von Piezo- (schnell) und Temperatur- (langsam) Anpassungen des monolithischen Laserresonators. Diese können verwendet werden, um das Frequenzrauschen zu reduzieren, indem die Laserfrequenz auf eine äußere Referenz wie einen optischen Resonator oder eine molekulare Absorptionslinie stabilisiert wird. Bei LIGO werden diese Regler als Teil einer Reihe von Regelkreisen verwendet, um die Laserfrequenz an eine optische Referenz zu koppeln und das Rauschen auf das Zielniveau zu senken.

Konsistenz und Zuverlässigkeit von Lasereinheit zu Lasereinheit

Die Konsistenz der Laseroszillatoren und die langfristige Zuverlässigkeit sind zwei weitere wichtige Voraussetzungen für Gravitationswellendetektionssysteme wie LIGO. Das liegt daran, dass LIGO insgesamt sechs identische stabilisierte Lasersysteme benötigt (drei Observatoriumslaser, zwei Ersatzlaser und ein Referenzsystem), und der Grad der Stabilisierung bringt den Laseroszillator und die Verstärkerleistung an ihre absoluten Grenzen. Das Gesamtrauschen hängt stark vom Rauschen des Startlaseroszillators ab. Da die Wahrscheinlichkeit, dass messbare Gravitationswellen unseren Planeten erreichen, sehr gering ist, müssen diese Laser jahrelang ununterbrochen beobachtet werden, um die Chancen zu erhöhen, eines dieser seltenen Ereignisse zu entdecken.

Der Bedarf an mehreren identischen Lasern für GWD-Systeme wurde als Hauptgrund für die vor einigen Jahren von Patrick Kwee und Benno Willke am Albert-Einstein-Institut in Hannover veröffentlichten Forschungsarbeiten genannt. Diese Forscher verglichen die Leistung von acht Mephisto Lasern, die auf eine umfassende Reihe verschiedener Ausgangsparameter getestet wurden, darunter Leistungs- und Frequenzrauschen, Pointing-Fluktuation und räumlicher Modus [2] – alles Parameter, die bei einer Anwendung wie GWD identisch und stabil sein müssen. In dieser Studie wurde einer der Laser über einen Zeitraum von 3,5 Monaten (>3.500 Betriebsstunden) automatisch und kontinuierlich auf verschiedene Parameter getestet. Nach unserem besten Wissen ist dies die größte Serie von Lasern mit schmaler Linienbreite, die jemals verglichen und deren Ergebnisse in einer Fachzeitschrift veröffentlicht wurden.

Um mehrere Parameter gleichzeitig zu messen, entwickelten diese Forscher ein maßgeschneidertes Instrument namens Diagnostic Breadboard (DBB). Um aus ihrem veröffentlichten Artikel zu zitieren: „Der DBB wurde für die Charakterisierung linear polarisierter Einzelfrequenz-Dauerstrich-Laserstrahlen entwickelt. Er ermöglicht die Messung von Leistungsrauschen, Frequenzrauschen und Strahlausrichtungsschwankungen in einem Fourier-Frequenzband von 1 Hz bis 100 kHz Leistungsrauschen bei Radiofrequenzen (RF) bis zu 100 MHz und räumliche Strahlqualität. Die Charakterisierung des Laserstrahls wurde vollständig von einem Computer automatisiert, mit Ausnahme der Messung des HF-Leistungsrauschens.“ Die automatisierte Messung wurde als Schlüsselelement zur Vermeidung jeglicher Bedienerfehler/Subjektivität erkannt.

Ihre Studien ergaben, dass die Schwankungen aller Laserleistungsparameter von Einheit zu Einheit bemerkenswert gering waren. Ein typisches Beispiel aus ihren Messreihen ist in Abbildung 2 dargestellt, die das konstant niedrige relative Leistungsrauschen dieser acht Testlaser zeigt. Die Autoren fassen ihre umfassende Untersuchung dieser acht Mephisto Laser mit der Aussage zusammen: „Die Charakterisierungsergebnisse zeigen, dass NPROs äußerst stabile Laserquellen sind und dass die Variation zwischen verschiedenen Proben eher gering ist.„ und folglich “Die NPROs eignen sich ideal für den Einsatz in interferometrischen Gravitationswellendetektoren. Da sie ein niedriges und stationäres Frequenzrauschen in Kombination mit schnellen und hochdynamischen Frequenzumrichtern aufweisen, eignen sie sich besonders als Master-Oszillatoren für Verstärker oder Injection-Lock-Konfigurationen, wenn mehr Ausgangsleistung erforderlich ist.”

Auch der Langzeittest des einzelnen Mephisto Lasers bestätigte die hervorragende Stabilität aller gemessenen Leistungsparameter während des 3.600-stündigen Testzeitraums. Wie aus ihren Daten in Abbildung 4 hervorgeht, stellten die Autoren fest, dass „Die Langzeitmessung des Frequenzrauschens zeigte, dass das Rauschen sehr stationär zu sein schien und die Schwankungen zwischen den Messungen gering waren.“

Ein weiteres Beispiel für die Langzeitstabilität ist in Abbildung 4 zusammengefasst. Die Forscher beobachteten eine ausgezeichnete Langzeitstabilität der Ausrichtung, trotz einiger umweltbedingter Einschränkungen (Luftströmung) bei diesen Messungen, die zum Teil dadurch gelöst wurden, dass das DBB-System in einer Box mit kontrollierter Luftströmung untergebracht wurde.

Referenzen

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