El filtro de modo novedoso para rayos láser en el modo LG33, que fue desarrollado en el AEI. Arriba:filtro de modo en el laboratorio. Abajo:esquema del filtro de modo. Crédito:Instituto Noack / Max Planck de Física Gravitacional
Hace un año, Se anunció la primera detección directa de ondas gravitacionales. Expertos en láser del Instituto Max Planck de Física Gravitacional (Instituto Albert Einstein; AEI), de la Leibniz Universität Hannover, y del Laser Zentrum Hannover e.V. (LZH) desempeñó un papel destacado en este descubrimiento, porque su tecnología láser súper precisa en el corazón de los instrumentos LIGO en los EE. UU. permitió la detección de señales débiles de ondas gravitacionales. Ahora, Los investigadores de AEI han presentado dos nuevas tecnologías capaces de aumentar aún más la sensibilidad de los futuros detectores de ondas gravitacionales. La Sociedad Max Planck ahora refuerza el desarrollo de sistemas láser para detectores de ondas gravitacionales de tercera generación. El AEI, en colaboración con la LZH, recibe durante los próximos cinco años 3,75 millones de euros de financiación para la investigación para el desarrollo de nuevos láseres Zentrum Hannover recibe durante los próximos cinco años 3,75 millones de euros de financiación para la investigación para el desarrollo de nuevos láseres y métodos de estabilización.
"Hemos logrado dos avances importantes, "dice Apl. Prof. Benno Willke, líder del grupo de desarrollo láser de la AEI. "Nuestro trabajo es otro paso hacia el uso de un nuevo tipo de perfil de rayo láser en detectores interferométricos de ondas gravitacionales. Además, hemos mostrado cómo aumentar la estabilidad de potencia de los láseres de alta potencia utilizados en los detectores. Estos son pasos importantes hacia el futuro de la astronomía de ondas gravitacionales ". Los resultados fueron publicados en la reconocida revista científica Letras de óptica y fueron destacados por los editores.
Rayos láser más homogéneos
Los rayos de todos los sistemas láser que se utilizan actualmente en los detectores de ondas gravitacionales tienen mayor intensidad en el centro que en los bordes. Esto conduce a una fuerte influencia indeseable de las fluctuaciones de la superficie del espejo en la precisión de medición de los detectores de ondas gravitacionales. Este llamado ruido térmico puede reducirse mediante una distribución de intensidad láser más homogénea.
En 2013, un equipo con participación de AEI mostró cómo los rayos láser de alta potencia más homogéneos en el llamado LG 33 se puede crear el modo. Ahora, Andreas Noack ha estudiado en su tesis de maestría en el equipo de Benno Willke cómo estos rayos láser se pueden alimentar en futuros detectores de ondas gravitacionales.
Toma panorámica del prototipo de 10 metros en el Instituto Max Planck de Física Gravitacional en Hannover. Se utiliza para demostraciones y pruebas de tecnologías para la tercera generación de detectores de ondas gravitacionales. Crédito:Instituto Lück / Max Planck de Física Gravitacional
El primer paso en el camino hacia el detector es un dispositivo conocido como limpiador de modo previo, que optimiza el perfil del haz y reduce la fluctuación del haz. El equipo de Willke demostró que el nuevo LG 33 beam es incompatible con los limpiadores de modo previo que se utilizan actualmente. Los investigadores también mostraron cómo resolver este problema. Desarrollaron un nuevo limpiador de modo previo, que es compatible con LG 33 rayos láser.
"El diseño de los detectores de ondas gravitacionales de próxima generación no está configurado, "dice Willke." Por lo tanto, Estamos probando diferentes tipos de láseres para tener tantas opciones de nuevos detectores de ondas gravitacionales como sea posible. Ahora hemos dado un gran paso adelante con el prometedor LG 33 vigas ".
Mejora de la estabilidad de la potencia del láser para los nuevos detectores de ondas gravitacionales
Todos los detectores interferométricos de ondas gravitacionales como LIGO, Virgo, y GEO600 se basan en sistemas láser que mantienen estable su alta potencia de salida durante años y que muestran muy pocas fluctuaciones de potencia en una escala de tiempo breve. El grupo de investigación de Benno Willke juega un papel de liderazgo mundial en esta área de investigación. Construyeron los sistemas láser para GEO600 y Advanced LIGO, sin el cual la primera detección directa de ondas gravitacionales en septiembre de 2015 no habría sido posible.
El sistema fotodetector utilizado para la estabilización de potencia. Izquierda:esquema de la trayectoria del rayo del láser (rojo) sobre los cuatro fotodiodos de medición a través de espejos. Derecha:El dispositivo se integra en el prototipo AEI de 10 metros. Los cuatro fotodiodos de medición se encuentran en la parte trasera derecha. Los fotodiodos adicionales para la estabilización de la puntería del haz se encuentran en la parte superior, marcado QPD1 / 2. Crédito:Instituto Junker / Kwee / Max Planck de Física Gravitacional
Ahora, Jonas Junker ha perfeccionado aún más el sistema de estabilización de energía existente en su tesis de maestría en el equipo de Willke. Una parte de la luz láser se recoge y se distribuye en varios fotodetectores para determinar con precisión la potencia total del láser. Si varía, la potencia del láser principal se corrige en consecuencia. En su experimento, los científicos ampliaron el sistema actual agregando, entre otras cosas, otro fotodetector para controlar y corregir también la puntería del rayo láser.
El esquema de estabilización de potencia mejorado se ha aplicado con éxito al sistema láser de 35 vatios del prototipo de interferómetro de 10 metros en el AEI. El prototipo es utilizado por investigadores de Hannover para demostraciones y pruebas de tecnologías para la tercera generación de detectores y para la investigación de los efectos de la mecánica cuántica en estos instrumentos. El nivel de estabilidad de potencia alcanzado es cinco veces superior al de experimentos comparables de otros grupos. Este valor concuerda muy bien con los resultados de experimentos de sobremesa aislados.
"Un experimento en el entorno bien aislado de un laboratorio óptico es completamente diferente de un experimento complejo a gran escala como el prototipo de 10 metros. Hemos demostrado por primera vez que es posible transferir el excelente nivel de estabilidad desde una mesa experimentar, "dice Willke." Demostramos que estas matrices de fotodiodos funcionan como se esperaba, lo que significa que también debería ser posible lograr esta alta estabilidad con las matrices de múltiples fotodetectores idénticas utilizadas en Advanced LIGO ".
