Weiterer Hochleistungslaser für die Wellenjäger
05.04.2012

LIGO besteht aus mehreren Interferometern mit einer Armlänge von jeweils vier Kilo¬me¬tern, die an den Standorten Hanford/Washington (hier im Bild) und Livingston/Louisiana in den USA platziert sind.Quelle: www.ligo.org/multimedia/gallery/lho.php

Innenleben des 200 W Laseroszillators für LIGO

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.

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".
 
GEO600: Das deutsch-britische Observatorium ist in der Nähe von Hannover angesiedelt und wird von Forschern des AEI sowie der britischen Universitäten Glasgow, Cardiff und Birmingham betrieben. Finanziert wird das GEO-Projekt von der Max-Planck-Gesellschaft, dem Land Niedersachsen, der Volkswagenstiftung, sowie dem britischen Science and Technologies Facilities Council (STFC). GEO arbeitet eng mit dem Exzellenzcluster QUEST (Centre for Quantum Engineering and Space-Time Research) in Hannover zusammen. Weitere Informationen: http://www.geo600.de
 
LZH: Das Laser Zentrum Hannover e.V. ist eine unabhängige, universitätsnahe, gemeinnützige Einrichtung mit dem Schwerpunkt auf angewandter Laserforschung. Über 120 wissenschaftliche Mitarbeiter aus den Bereichen Physik, Chemie und Ingenieurwissenschaften erarbeiten fachübergreifende Lösungen an laserbasierten Problemstellungen. Allein in der Laserentwicklungsabteilung mit den Schwerpunkten Festkörperlaser, Faserlaser und den entsprechenden Anwendungen sind etwa 30 wissenschaftliche Mitarbeiter beschäftigt. Das LZH ist eines der größten Forschungseinrichtungen für Lasertechnik in Europa.
 
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Wissenschaftliche Kontakt:
LZH: Dr. Peter Weßels, Tel.: 0511 – 2788 215, p.wessels@lzh.de
AEI: Dr. Benno Willke, Tel.: 0511 – 762 2360, benno.willke@aei.mpg.de

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Das Laser Zentrum Hannover e.V. (LZH) ist eine durch Mittel des Niedersächsischen Ministeriums für Wirtschaft, Arbeit und Verkehr unterstützte Forschungs- und Entwicklungseinrichtung auf dem Gebiet der Lasertechnik.