Mehr Licht für die Zukunft der Gravitationswellen-Astronomie

Hannoveraner Forschungsteam entwickelt bisher leistungsstärkstes Lasersystem für Gravitationswellen-Detektoren

Zukünftige Gravitationswellen-Detektoren auf der Erde werden Laserlicht mit noch höherer Leistung als in den derzeitigen Instrumenten verwenden. Forschende des Max-Planck-Instituts für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut, AEI), des Laser Zentrum Hannover e.V. (LZH) und von der Leibniz Universität Hannover haben nun ein neues Lasersystem für diesen Zweck entwickelt. Sie vereinten das maßgeschneiderte Licht von zwei Hochleistungslasern so präzise, dass es den Anforderungen für die Verwendung in Gravitationswellen-Detektoren genügt. In einem nächsten Schritt wollen die Forschenden ihr System am AEI nun verbessern, damit es als Herzstück für Detektoren der nächsten Generation eingesetzt werden kann. Die Ergebnisse sind nun in der Fachzeitschrift Optics Express erschienen.

Gravitationswellen-Detektoren der dritten Generation wie das Einstein-Teleskop oder der Cosmic Explorer sollen rund zehnmal empfindlicher nach Gravitationswellen lauschen als die derzeitigen großen Detektoren LIGO, Virgo und KAGRA. Eine der entscheidenden Zutaten für diese deutliche Steigerung der Empfindlichkeit: bis zu 700 Watt starke und gleichzeitig hochpräzise Laserquellen, die durch Gravitationswellen hervorgerufene Längenänderungen der Messarme nachweisen sollen. Zum Vergleich: Die derzeit in LIGO eingesetzten Laserquellen laufen mit 70 Watt.

Bestes Laserlicht für präziseste Messungen

Die Qualität des Laserstrahls (seine Farbe, Helligkeit, Strahlform und -ausrichtung) müssen stets gleich sein und strengsten Anforderungen genügen. Andernfalls wäre eine Messung von Gravitationswellen nicht möglich. Um hohe Leistungen bei gleichzeitig höchster und konstanter Strahlqualität zu erreichen, gilt in speziellen Glasfasern erzeugtes Laserlicht als vielversprechender Kandidat.

„Durch das Zusammenschalten der von uns entwickelten Faserlaser sollte sich Laserlicht hoher Leistung und hoher Qualität erreichen lassen – so wie es in künftigen Gravitationswellen-Detektoren erforderlich ist“, erklärt Felix Wellmann, Leiter der Gruppe Faseroptik in der Abteilung Laserentwicklung am LZH und Erstautor der Studie, die heute in der Fachzeitschrift Optics Express veröffentlicht wurde.

„Genau diesen Ansatz haben wir verfolgt und in unserer Untersuchung gezeigt, dass das Aufspalten, Verstärken und erneute Zusammenschalten von zwei Laserstrahlen tatsächlich genauso gut funktioniert wie erwartet“, ergänzt Nina Bode, Doktorandin am Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik und dem Institut für Gravitationsphysik der Leibniz Universität Hannover und Zweitautorin der Veröffentlichung.

Teilen, verstärken und vereinen

Das Forschungsteam fing mit einem bewährten Prinzip an: Sie begannen mit dem Licht eines sehr präzisen Lasers niedriger Leistung. Dieses spalteten sie in zwei Strahlen auf und verstärkten dieses Laserlicht in speziellen Glasfasern auf jeweils rund 200 Watt. Diese beiden Laserstrahlen hoher Leistung wurden dann mittels Regelungselektronik und -mechanik so präpariert, dass ihre Lichtwellen nahezu perfekt im Gleichtakt schwangen und effektiv optisch kombiniert werden konnten. Das Ergebnis: bis zu 400 Watt Laserleistung bei einer Wellenlänge von 1064 Nanometer im Infraroten, die auch alle heutigen Gravitationswellen-Detektoren einsetzen.

Um seine Eignung für interferometrische Gravitationswellen-Detektoren zu ermitteln, nahmen die Forscher:innen das erzeugte Laserlicht genau unter die Lupe: Helligkeit, Strahlausrichtung, Strahlform und Farbe des erzeugten Laserlichts sind auf einem Niveau, das eine Verwendung in Gravitationswellen-Detektoren erlauben würde.

Nächster Schritt: Aktive Stabilisierung im AEI-Labor

Wie auch in derzeitigen Instrumenten muss aber die Strahlqualität des Laserlichts kontinuierlich kontrolliert und aktiv stabilisiert werden. Diese nächste Verbesserung ist bereits geplant. Das neu entwickelte System soll in einem Labor am Albert-Einstein-Institut dafür mit weiteren Komponenten versehen werden.

„Aus unserer jahrelangen Erfahrung mit den Lasersystemen der großen Gravitationswellen-Detektoren wissen wir, wie sich diese aktive Stabilisierung des Lasers umsetzen lässt“, erklärt Nina Bode. „Wir sind zuversichtlich, dass dieses Verfahren auch bei unserem neuen Lasersystem erfolgreich sein wird und sind gespannt darauf, das im Detail zu untersuchen.“

Die weltweit besten Laser aus Hannover

Fast alle Lasersysteme, die derzeit in großen Gravitationswellen-Detektoren zum Einsatz kommen, wurden am AEI Hannover zusammen mit dem LZH entwickelt. Erst kürzlich beschrieben Wissenschaftler:innen vom AEI zusammen mit internationalen Kolleg:innen in einer Fachveröffentlichung den stabilisierten Hochleistungslaser, den die LIGO-Instrumente in ihrem dritten Beobachtungslauf O3 verwendeten. Er lieferte bis zu 70 Watt Laserleistung. In derselben Publikation schildern sie außerdem einen Prototypen eines stabilisierten Hochleistungslasers mit bis zu 140 Watt, der die LIGO-Detektoren im nächsten Beobachtungslauf O4 noch empfindlicher machen soll.

„Das AEI Hannover und das LZH beweisen mit diesen neuen Ergebnissen, dass sie weiterhin die weltweit führende Rolle bei Entwicklung und Betrieb der hochpräzisen Lasersysteme spielen, die das Herzstück der Gravitationswellen-Detektoren darstellen“, sagt Benno Willke, Leiter der Arbeitsgruppe Laserentwicklung am Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik und dem Institut für Gravitationsphysik der Leibniz Universität Hannover.

Gefördert wurden die Arbeiten unter anderem durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft im Rahmen des Exzellenzclusters QuantumFrontiers.