Das dritte und vorerst letzte Lasersystem für die amerikanischen
Gravitationswellendetektoren LIGO hat seine Reise von Hannover nach
Hanford (Washington) angetreten. Den leistungsstarken Laser für
die Phase ‚Advanced LIGO‘ hat das Laser Zentrum Hannover
(LZH) gemeinsam mit dem Albert-Einstein-Institut Hannover (AEI) und der
Firma neoLASE entwickelt.
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| LIGO
besteht aus mehreren Interferometern mit einer Armlänge von
jeweils vier Kilometern, die an den Standorten Hanford/Washington (hier
im Bild) und Livingston/Louisiana in den USA platziert sind. |
Geht alles nach Plan, werden ein gut 350 kg schwerer Laserkopf, dazu
mehrere 100 kg Kabel, Elektronik und Optiken in Kürze ihren
Bestimmungsort in den USA erreichen. Nach zwei bereits im vergangenen
Jahr erfolgreich installierten identischen Systemen, steht somit bald
der dritte 200 W Hochleistungslaser aus Hannover für die
Integration in die amerikanischen Gravitationswellendetektoren zur
Verfügung.
Ab 2014 werden an den LIGO-Standorten Hanford und Livingston die
ersten direkten Messungen winziger Raumzeit-Änderungen erwartet.
Diese Gravitationswellen wurden vor über 90 Jahren von Albert
Einstein vorausgesagt. 1974 gelang es Russell A. Hulse und Joseph
H. Taylor, Gravitationswellen indirekt nachzuweisen. Sie erhielten
dafür 1993 den Nobelpreis. Jetzt ist der erstmalige direkte
Nachweis von Gravitationswellen in greifbare Nähe gerückt,
denn es stehen entsprechend hochpräzise Messtechnologien zur
Verfügung. Die Hannoveraner Laser sind das Herzstück dieser
Technologien.
„Die Laser für Advanced LIGO sind ein gutes Beispiel
für die zentrale Rolle unseres deutsch-britischen
Gravitationswellendetektors GEO600 im internationalen Netzwerk der
Gravitationswellenobservatorien: GEO600 ist die experimentelle
Technologieschmiede. Die im GEO-Projekt entwickelten Technologien
ermöglichen die extrem präzisen Längenmessungen, die
für eine direkte Beobachtung von Gravitationswellen erforderlich
sind“, so Dr. Benno Willke, Projektleiter der Advanced LIGO
Laserentwicklung, am Albert-Einstein-Institut, Max-Planck-Institut
für Gravitationsphysik und Institut für Gravitationsphysik,
Leibniz-Universität Hannover.
Um die außergewöhnlich hohen Messanforderungen für
Gravitationswellen erfüllen zu können, sind Laseroszillatoren
höchster Strahlqualität und Belastbarkeit gefragt.
Wissenschaftler des Laser Zentrums Hannover (LZH) und des
Albert-Einstein-Instituts Hannover (AEI) haben gemeinsam mit der Firma
neoLASE in insgesamt 10 Jahren mehrere Prototypen mit jeweils
verbesserter Leistungsfähigkeit entwickelt. Das aktuelle
Lasersystem für die ‚Advanced LIGO‘ - Phase ist mit
einer Ausgangsleistung von etwa 200 W bei einer Wellenlänge von
1064 nm um einen Faktor 5 leistungsstärker als Laser der
vorausgegangenen Phase ‚Enhanced LIGO‘.
Während das in der ‚Enhanced LIGO‘ - Phase genutzte
Lasersystem ein reines Verstärkersystem ist, werden für das
aktuelle ‚Advanced LIGO‘ - Lasersystem dieses
Verstärkersystem und ein Hochleistungslaseroszillator gekoppelt.
Das Gesamtsystem vereint dann die guten Eigenschaften der beteiligten
Subkomponenten: das einfrequente Verstärkersystem bestimmt die
Frequenzstabilität, der Hochleistungsoszillator die
Strahlqualität und die Ausgangsleistung ergibt sich aus der Summe
beider Teilsysteme.
„Eine der großen Herausforderungen für uns
Wissenschaftler und Ingenieure war, das System von einem ersten
Laborprototypen, an dem die grundsätzlichen Spezifikationen
demonstriert wurden, so weit zu entwickeln, dass es mit konstanter
Leistung und Frequenz zuverlässig rund um die Uhr mehrere Jahre
betrieben werden kann“, beschreibt Dr. Peter Weßels die
besondere Anforderung der letzten Jahre. Er leitet die an der
Entwicklung der LIGO-Laser maßgeblich beteiligten Gruppe Single
Frequency Lasers (Abteilung Laserentwicklung) am LZH.
Die Laser sind für die eigentliche Messung in einem
Michelson-Interferometer von gigantischem Ausmaß verantwortlich.
Dieses Interferometer ist im Vakuum in den rechtwinklig zueinander
stehenden, 4km langen Armen des Observatoriums untergebracht.
Durchquert eine Gravitationswelle das Observatorium, ändern sich
die relativen Längen der Arme des Interferometers. Während
der eine Arm gedehnt wird, verkürzt sich der andere Arm, was eine
Phasenverschiebung der Teilwellen des Laserlichtes bewirkt. Die dabei
auftretende Interferenz ändert die Intensität des gemessenen
Lichtes am Ausgang des Interferometers. Der Aufbau erlaubt, einen
relativen Unterschied in den beiden Armlängen von 10−22 zu
messen.
Nach Integration des jetzt ausgelieferten Lasers in den
Gravitationswellendetektor im Mai muss der Detektor noch von Firmen und
Instituten aus den USA und dem Rest der Welt mit weiteren, auf die neue
Lichtquelle abgestimmten, Komponenten aufgerüstet werden.
Frühestens in zwei Jahren sind dann die ersten "science runs" mit
dem neuen Laser, also echte Messungen mit den kilometerlangen
Interferometern möglich. Auch für die Forscher von LZH und
AEI ist die Arbeit nach dieser vorerst letzten Auslieferung nicht
abgeschlossen: Sie befassen sich bereits mit der Entwicklung von Lasern
für "Gravitationswellendetektoren der 3. Generation".
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