Veröffentlichungen

1.
H. Grote, K. Danzmann, K.L. Dooley, R. Schnabel, J. Slutsky, H. Vahlbruch
First Long-Term Application of Squeezed States of Light in a Gravitational-Wave Observatory
2.
H. Lück et al
The upgrade of GEO 600

GEO-HF und gequetschtes Licht

Seit 2009 hat das GEO-Hochfrequenz-Ausbauprogramm begonnen, um GEO600 ein weiteres Mal auf das technisch Mögliche zu verbessern. Zu den Techniken der nächsten Generation, die in GEO600 seit 2009 eingebaut wurden, gehören die Verwendung von gequetschtem Licht, der Einbau eines Modenfilters für das Signal, eine stärkere Laser-Ausgangsleistung, eine Kompensation der thermischen Verformung der Optik, eine andere Auslesung des Detektors und eine Veränderung im Signalrecycling.

Nach umfangreichen Perioden der Datenaufnahme hat GEO600 im Sommer 2009 ein Ausbauprogramm namens 'GEO-HF' begonnen. Die Hauptpunkte dieses Programms sind:

  1. Die Änderung des Betriebs von GEO600 von verstimmtem Signalrecycling zu abgestimmtem Signalrecycling, und die Änderung der Auslesemethode von heterodyner Auslesung zu homodyner (DC).  
  2. Einbau eines Ausgangsmodenfilters (OMC) im Vakuum, zusammen mit einer Vakuumauslesung des Gravitationswellen-Signals.
  3. Verwendung gequetschter Vakuumzustände, die in den antisymmetrischen Eingang von GEO600 injiziert werden.
  4. Erhöhung der Bandbreite des Signalrecycling-Resonators.
  5. Erhöhung der Laserleistung am Powerrecycling-Resonator von 3 auf 20 W.

Gequetschtes Licht und GEO600

Abb. 1: Der Container für die Quetschlichtquelle wird angeliefert. Bild vergrößern
Abb. 1: Der Container für die Quetschlichtquelle wird angeliefert.

Die Verwendung von gequetschtem  Licht in GEO600 hat besonderes Interesse in der internationalen Forschungsgemeinschaft erregt. GEO600 hat die Grenzen seiner Messungen so weit getrieben, dass sie durch die Quantennatur der Lichts selbst bestimmt werden. Der Laserstrahl, mit dem die differentielle Armlänge in GEO600 gemessen wird, ist nicht wirklich kontinuierlich, sondern besteht wie jeder Strahl aus einer großen Anzahl von Lichtteilchen (Photonen). Die Natur des Lichts selbst führt dazu, dass diese Photonen nicht wie in einer Perlenkette aufgereiht sind, sondern sich in unregelmäßigen Gruppen bewegen. Diese Gruppierung erzeugt das Rauschen bei der Gravitationswellenmessung.

Abb. 2: Die Quetschlichtquelle von GEO600 Bild vergrößern
Abb. 2: Die Quetschlichtquelle von GEO600

Im Jahre 2010 war GEO600 der erste Gravitationswellendetektor, der durch die Injektion von gequetschtem Licht das Quantenrauschen reduzierte, und bis heute ist GEO600 der einzige Gravitationswellendetektor, der gequetschtes Licht routinemäßig nutzt. Die Quetschlichtquelle wurde am Albert-Einstein-Institut entwickelt und gebaut; gegenwärtig wird der optimale Einsatz von gequetschtem Licht bei GEO600 untersucht. Die folgenden laufenden Untersuchungen mit gequetschtem Licht bei GEO600 sind einzigartig in der Welt [1]:

  • Entwicklung einer automatischen Anpassung für gequetschtes Licht
  • Entwicklung eines neuen Kontrollsignals für den Quetschlichtwinkel
  • Automatische Anpassung der Quetschlichtquelle.
Abb. 3: Effekt der Anwendung von gequetschtem Licht auf GEO600 im September 2012. Bild vergrößern
Abb. 3: Effekt der Anwendung von gequetschtem Licht auf GEO600 im September 2012.

Mit all diesen Techniken zusammen wurde der erste Langzeitbetrieb einer Quetschlichtquelle in einem  Gravitationswellendetektor erreicht. Gequetschtes Licht kann typischerweise für mehr als 90 % der Zeit angewendet werden. Wir konnten zeigen, dass gequetschtes Licht kompatibel mit einer kleinen Störrate im h-Kanal ist [1]. Abbildung 3 zeigt den Effekt von gequetschtem Licht auf die Empfindlichkeit von GEO600; das Quetschen zeigt sich breitbandig  oberhalb von ca. 400 Hz.

Der Ausgangsmodenfilter

Das Strahlprofil des GEO600-Lasers vor (links) und hinter (rechts, vergrößert) dem Ausgangsmodenfilter. Der Modenfilter entfernt durch Mehrfachreflektionen Strahlbestandteile, die vom gleichmäßigen Strahlprofil abweichen. Die Unregelmäßigkeiten entstehen durch Imperfektionen an Spiegeln im Detektor. Bild vergrößern
Das Strahlprofil des GEO600-Lasers vor (links) und hinter (rechts, vergrößert) dem Ausgangsmodenfilter. Der Modenfilter entfernt durch Mehrfachreflektionen Strahlbestandteile, die vom gleichmäßigen Strahlprofil abweichen. Die Unregelmäßigkeiten entstehen durch Imperfektionen an Spiegeln im Detektor. [weniger]

Der Einbau eines Ausgangsmodenfilter ist ein weiteres Gebiet von internationalem Interesse. In einem Gravitationswellen-Detektor ist das Signal im Ausgang des Interferometers verschlüsselt enthalten. Aufgrund von mikroskopischen Defekten der GEO600-Spiegel gibt es im Ausgang auch Licht, das kein Gravitationswellen-Signal enthält. Dieses Licht überlagert das Signal, nach dem GEO600 Ausschau hält und muss daher entfernt werden. Der im Jahre 2009 eingebaute  Ausgangsmodenfilter besteht aus einer Anordnung von Spiegeln, einem sogenannten optischen Resonator, der nur Licht durchlässt, welches das Gravitationswellen-Signal enthält. Die genaue Auswahl eines solchen Resonators und des besten Kontrollsystems stellen aktive Forschungsfelder dar, zu denen GEO600 wichtige Beiträge geliefert hat.

Der Laser

GEO600 benötigt einen Laser, um zu messen: Im Jahre 2011 wurde GEO600 von einem 14 W Lasersystem auf ein stärkeres 35 W Lasersystem umgestellt. Beide Systeme wurden am Albert-Einstein-Institut entwickelt und gebaut. Die vermehrte Laserleistung stellt eine weitere Herausforderung beim Betrieb eines Gravitationswellen-Detektors dar. Moderne Gravitationswellen-Detektoren benutzen eine Technik namens "Power-Recycling", bei der die Lichtleistung in den beiden Armen um ein Vielfaches verstärkt wird. Im Fall von GEO600 liegt die umlaufende Lichtleistung um einen Faktor 1000 über der Leistung, die das Lasersystem liefert. Ein kleiner Teil dieser mehrere Kilowatt betragenden Lichtleistung wird von den Spiegeln, die das GEO600-Interferometer bilden, absorbiert. Diese Absorption heizt die Spiegel auf und verformt sie. Die Beseitigung dieser Verformung ist ein aktives Forschungsgebiet. Das vorhandene thermische Kompensationssystem von GEO600 wurde kürzlich verstärkt, indem eine mögliche Lösung des thermischen Verformungsproblems berechnet wurde.

DC-Auslesung

Eine besondere Herausforderung beim Betrieb eines Gravitationswellen-Detektors besteht in der Auslesung der Information über die Armlängen-Fluktuationen am Ausgang des Interferometers. Das kommt daher, weil die Gravitationswellen-Signale im Ausgang als Phasenfluktuationen von der Größenordnung von 10-12 radian vorliegen. Um diese Information zu erhalten, hat GEO600 eine neue Auslesetechnik eingesetzt, die sogenannte DC-Auslesung, gleichzeitig mit den LIGO-Detektoren. Wie erwartet hat diese neue Auslesetechnik zu einer bescheidenen Verbesserung der Empfindlichkeit des Detektors geführt, nebst einigen anderen technischen Vorteilen.

Signalüberhöhung

GEO600 war in der Vergangenheit der einzige Gravitationswellen-Detektor, der die Technik der Signalüberhöhung nutzt. Sie stellt eine beachtliche Verbesserung der Empfindlichkeit dar und wurde in Advanced LIGO eingebaut und ist auch für Advanced Virgo vorgesehen. GEO600 hat verschiedene Signalüberhöhungs-Konfigurationen im Detail studiert, was zu einer beachtlichen Verbesserung der Empfindlichkeit bei höheren Frequenzen geführt hat.

 

 
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