GT4ET

Glass Technologies for the Einstein Telescope

Forschende des Max-Planck-Instituts für Gravitationsphysik in Hannover entwickeln gemeinsam mit Kolleg:innen des Fraunhofer-Instituts für Angewandte Optik und Feinmechanik (Fraunhofer IOF) miniaturisierte Opto-Mechaniken für das Einstein-Teleskop, den geplanten europäischen Gravitationswellen-Detektor der dritten Generation.

Derzeit bereiten Wissenschaftler:innen neue und noch empfindlichere Gravitationswellen-Observatorien auf der Erde vor, die ab den 2030ern das All belauschen sollen. Diese Detektoren der sogenannten „dritten Generation“ werden einen ähnlichen Frequenzbereich wie die derzeitigen Instrumente erfassen, das jedoch mit bis zu 10-fach höherer Empfindlichkeit. Das europäische Projekt trägt den Namen „Einstein-Teleskop“. Das AEI Hannover ist seit langem eine führende Institution in der Gravitationswellenforschung, Mit-Initiator des Einstein-Teleskops und an mehreren Bereichen in der Vorbereitung des Einstein-Teleskops beteiligt.

Um Beobachtungen mit einer deutlich gesteigerten Empfindlichkeit zu ermöglichen, sind neben größeren Detektoranlagen aber auch weitere technische Verbesserungen erforderlich. Im Projekt „Glass Technologies for the Einstein Telelscope“ (GT4ET) des Max-Planck-Instituts für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut, AEI) in Hannover und des Fraunhofer-Instituts für Angewandte Optik und Feinmechanik (Fraunhofer IOF) werden neue Technologien zur seismischen Isolation und Laserstabilisierung für das Einstein-Teleskop entwickelt.

Sensorentwicklung für verbesserte seismische Isolation

Die Hauptoptiken der laserinterferometrischen Detektoren, d.h. deren Spiegel und Strahlteiler, werden über komplexe mechanische Filteraufbauten von jeglicher Bodenbewegung der Umgebung (seismisches Rauschen) weitestgehend entkoppelt sein. In der Praxis werden die optischen Elemente dafür von mehrstufigen Pendel abgehängt. Diese Mehrfachpendel dämpfen das seismische Rauschen und kommen auch bei derzeitigen Gravitationswellen-Detektoren zum Einsatz.

Um eine aktive Dämpfung zu ermöglichen, müssen die Positionen der einzelnen Massen innerhalb der Pendelaufhängung relativ zu einem Referenzpunkt präzise ermittelt werden. Derzeit gibt es keine geeigneten kompakten Sensoren für diese Messung. In GT4ET werden Forschende des AEI und des IOF deshalb einen Messkopf entwickeln, der über Metaoberflächen eine diffraktive Optik erzeugt und über optische Fügetechniken fest mit einem optischen Messgerät verbunden sein wird.

Laserstabilisierung mit Mikro-Oszillatoren

Die Eigenschaften der in den Gravitationswellen-Detektoren eingesetzten Laser werden aktiv stabilisiert, um ihr Rauschen in Frequenz, Leistung und Strahlgeometrie zu minimieren. Das AEI hat über viele Jahre Erfahrung in der Entwicklung, Stabilisierung, Herstellung und Installation von Lasern in der Gravitationswellen-Interferometrie auf der Erde gesammelt.

Eine neue Methode zur Leistungsstabilisierung von Lasern für Gravitationswellen-Detektoren, die derzeit erforscht wird und bereits erste gute Ergebnisse geliefert hat, ist die Stabilisierung mittels eines Mikro-Oszillators. Das AEI und das IOF entwickeln im Rahmen von GT4ET diese Technologie weiter realisieren dafür ein konkretes Konzept.

Veröffentlichungen

1.
Nery, M. T.; Venneberg, J.; Aggarwal , N.; Cole , G. D.; Corbitt , T.; Cripe , J.; Lanza , R.; Willke, B.: Laser power stabilization via radiation pressure. Optics Letters 46 (8), S. 1946 - 1949 (2021)
2.
Nery, M. T.; Danilishin, S.; Venneberg, J.; Willke, B.: Fundamental limits of laser power stabilization via a radiation pressure transfer scheme. Optics Letters 45 (14), S. 3969 - 3972 (2020)

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