Weltrekord im „Lichtquetschen”

Gequetschtes Laserlicht hat maßgeschneiderte Quanten­eigenschaften und erlaubt präzisere Messungen als gewöhnliches Laserlicht. Es wird seit sechs Jahren erfolgreich am Gravitations­wellen-Detektor GEO600 nahe Hannover eingesetzt und verbessert dessen Mess­genauigkeit erheblich. In einem Grundlagen-Experiment haben Forscher des Max-Planck-Instituts für Gravitations­physik (Albert-Einstein-Institut, AEI) und der Leibniz-Universität Hannover nun das am stärksten gequetschte Laser­licht erzeugt und ihren bisherigen Weltrekord weit übertroffen. Zudem ermöglicht das Rekord­licht ein neues Verfahren, um die Quanten­ausbeute von Photo­detektoren zu ermitteln. Dieses ist unabhängig von bisherigen Verfahren und erfordert keine aufwändig kalibrierten Referenz­licht­quellen.

Laserlicht ist das Handwerks­zeug der Gravitationswellen-Astronomie, die vor einem Jahr mit dem ersten direkten Nachweis verschmelzender schwarzer Löcher begann. Inter­fero­metrische Detektoren wie Advanced LIGO, Virgo und GEO600 vermessen kilometerlange Licht­lauf­strecken auf Bruchteile eines Atomk­erns genau mittels Lasern.

Die Messgenauigkeit dieser Detektoren ist auch durch das quanten­mechanische „Rauschen“ des Lichts begrenzt. Daher arbeiten AEI-Forschende seit mehreren Jahren an der Entwicklung immer besserer Spezial­licht­quellen mit Quetschlicht, deren Quanten­rauschen besser ist, als die Natur üblicher­weise erlaubt. Diese kommen bereits seit dem Jahr 2010 im Gravitations­wellen-Detektor GEO600 nahe Hannover zum Einsatz und verbessern dessen Empfindlichkeit.

Nun haben die Wissenschaftler am AEI in Labor­experimenten ihren eigenen Weltrekord aus dem Jahr 2010 bei der Erzeugung von Quetsch­licht übertroffen und eine neue Bestmarke gesetzt. Sie konnten das Quanten­rauschen um einen Faktor 32 verringern. Um den neuen Rekord zu erreichen, verbesserten die Physiker bestehende Aufbauten mit besonders verlust­armen optischen Komponenten und eigens optimierten Photo­detektoren.

„Wir haben am Albert-Einstein-Institut in den vergangenen Jahren einen einzig­artigen Erfahrungs­schatz in der Optimierung und Anwendung von Quetschlicht erarbeitet“, sagt Henning Vahlbruch, wissenschaftlicher Mitarbeiter am AEI. „Aufbauend auf unseren vorherigen Experimenten konnten wir jetzt erneut unseren eigenen Weltrekord brechen und gleichzeitig erstmals eine neuartige Anwendung des Quetsch­lichts im Experiment zeigen.“

Mit dem besonders stark gequetschten Licht lässt sich erstmals auch ein vollkommen neues Verfahren zur Bestimmung der Quanten­ausbeute von Photo­detektoren realisieren. Photo­detektoren spielen unter anderem in Gravitations­wellen-Detektoren eine wichtige Rolle. Dort registrieren sie das Licht am Ausgang des Detektors, durch dessen Schwankungen sich die Gravitations­wellen verraten. Entscheidend dabei ist, wie effizient der Photodetektor das einfallende Licht in Strom umwandelt, d.h. die Quanten­ausbeute.

Während bisherige Verfahren zur Ermittlung der Quanten­ausbeute besondere hochpräzise kalibrierte Licht­quellen erfordern, ist dies bei der in Hannover neu entwickelten Methode überflüssig. Der Trick ist die Einfachheit der Messung. Die mittels Photo­detektoren gemessene Quetsch­stärke des Laserlichts könnte prinzipiell beliebig hoch sein, ist aber von den auftretenden optischen Verlusten begrenzt.

In ihrem Experiment bestimmten die Hannoveraner Physiker einen Gesamt­verlust von 2,5 ± 0,1 Prozent des Lichts. Nun mussten die Physiker lediglich alle Licht­verluste an Linsen, Spiegeln und anderen optischen Elementen bestimmen. Sie fanden heraus, dass sich auf diese Weise 2,0 Prozent­punkte des Gesamt­verlusts erklären ließen. Die restlichen 0,5 Prozent sind daher der Verlust des Photodetektors. Damit erhielten die Wissenschaftler eine Quanten­ausbeute von 99,5 ± 0,5 Prozent für den von Ihnen optimierten Photo­detektor.

„Unser neues Verfahren ist eine elegante Lösung zur Bestimmung der Quanten­ausbeute, weil es gewissermaßen deren direkte Messung ist“, sagt Moritz Mehmet, wissenschaftlicher Mitarbeiter am AEI. „Wir umgehen mit dem Quetschlicht geschickt die aufwändige Kalibrierung von Referenz­licht­quellen. Und ein weiteres Plus ist, dass man unser Verfahren recht simpel bei verschiedenen Licht­intensitäten anwenden kann.“

Zukünftig wird der nun erzielte Weltrekord bei gequetschtem Licht auch Anwendung in Gravitations­wellen-Detektoren wie Advanced LIGO, Virgo und GEO600 finden. Deren Empfindlichkeit wollen Forscher langfristig durch die Verwendung von ähnlichen Quetsch­licht­quellen und Minimierung der optischen Verluste weiter steigern. Auch geplante Detektoren der dritten Generation wie das Einstein Telescope werden auf diese Technologie angewiesen sein.

Laborexperimente mit noch stärker gequetschtem Licht werden zudem präzisere Messungen der Quantenausbeute von Photodetektoren ermöglichen. Diese können langfristig eine unabhängige und genaue Alternative zu den etablierten Verfahren darstellen und weitere Anwendungen in der Quanten­metrologie ermöglichen.

AEI / DE