Licht für Präzisionsmessung

Physik Journal - Der weltweit stabilste Hochleistungslaser hilft beim Nachweis von Gravitationswellen.

Mit teils kilometerlangen Interferometern wollen Astronomen die kosmischen Quellen von Gravitationswellen beobachten. Entsprechende Observatorien stehen in Italien, Japan, den USA und Deutschland. Da die Signale sehr schwach sind, müssen die Interferometer winzige Längenänderungen nachweisen können. So erreicht das bei Hannover angesiedelte Projekt GEO600 z. B. eine relative Genauigkeit von 10^–22. Dafür sind sehr stabile Laser erforderlich, die für fast alle Gravitationswellenprojekte aus Hannover geliefert werden.

Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Gravitationsphysik und des Laserzentrums Hannover haben kürzlich den weltweit stabilsten Hochleistungslaser an das amerikanische LIGO-Projekt (Laser-Interferometer-Gravitationswellen-Observatorium) übergeben. Das Lasersystem liefert eine Ausgangsleistung von 35 W und strahlt weniger als fünf Prozent seiner Energie in höheren Moden ab. Seine Frequenzstabilität erreicht einen Wert von 100 mHz/Hz^1/2, seine Leistungsstabilität eine Größenordnung von 10^–9 Hz^–1/2. Die Empfindlichkeit der LIGO-Detektoren steigt durch diesen Laser um einen Faktor zwei.

Abb.: Die LIGO-Wissenschaftler wollen mit einem Lasersystem aus Hannover Gravitationswellen nachweisen. (Quelle: MPI f. Gravitationsphysik/LZH)

Die hannoverschen Wissenschaftler um Benno Willke nutzen für ihr Lasersystem einen kommerziellen Nd:YAG-Laser mit einer Wellenlänge von 1064 nm als Master, der mit vier Nd:YVO-Kristallen auf 35 W verstärkt wird. Durch die doppelbrechende Wirkung des Vandats lässt sich eine Depolarisation des Strahls vermeiden. Die Frequenzstabilität des Systems und die räumliche Stabilität des Strahls kontrollieren die Forscher mit jeweils einem Fabry-Pérot-Resonator sowie einer ausgeklügelten Regeltechnik.

Für die Leistungsstabilisierung lag der Schlüssel zum Erfolg im Design von extrem rauscharmen Indiumgalliumarsenid-Fotodetektoren mit hoher Quanteneffizienz und guter räumlicher Homogenität. Für die nächste Stufe des LIGOProjekts (Advanced LIGO) arbeiten die Wissenschaftler bereits an einem Lasersystem ähnlichen Aufbaus, das rund 200 W liefert und die Messungen im Vergleich zu heute damit um den Faktor zehn empfindlicher machen wird.

Michael Vogel

Quelle: Physik Journal, Dezember 2007, S. 16