200-Watt-Laseroszillator für Advanced LIGO

Physiker des Max-Planck-Instituts für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut Hannover / AEI) haben zusammen mit Wissenschaftlern vom Laserzentrum Hannover (LZH) einen Hochleistungslaser entwickelt, der im Laser-Interferometer-Gravitationsobservatorium Advanced LIGO, Livingston (Louisiana/USA) zum Einsatz kommen wird.

Ein Beitrag von Hans J. Kemm. Quelle: Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut Hannover, AEI).

Als Gravitationswellen bezeichnet man Wellen in der Raumzeit, die den Raum durchqueren und ihn dabei stauchen und strecken. Der Nachweis von Gravitationswellen ist außerordentlich schwierig, direkt ist er noch nie gelungen. Gravitationswellen werden von der Allgemeinen Relativitätstheorie vorhergesagt.
Zum Auffinden dieser Wellen werden Interferometer verwendet, die hindurchwandernde Gravitationswellen in Echtzeit beobachten sollen, indem die lokalen Änderungen der Raumzeit-Eigenschaften die empfindliche Interferenz zweier Laserstrahlen verändern. Aktuelle Experimente dieser Art wie GEO600 (Deutschland/Großbritannien) und LIGO (USA) benutzen Lichtstrahlen, die in langen Tunneln hin- und herlaufen. Ein Unterschied in der Länge der Laufstrecke, wie er durch eine durchlaufende Gravitationswelle verursacht würde, könnte mittels Interferenz mit einem Kontrolllichtstrahl nachgewiesen werden. Um auf diese Art eine Gravitationswelle direkt zu detektieren, müssen minimale Längenänderungen – etwa 1/10.000 des Durchmessers eines Protons – in Bezug auf die Gesamtlänge der Messapparatur festgestellt werden. Diese Experimente laufen bereits seit einigen Jahren, konnten aber bisher noch nicht den erhofften Nachweis erbringen.

Advanced LIGO Observatorium
Advanced LIGO
(Bild: Advanced LIGO Observatorium)

Die allen bekannten Laserpointer blinken gewöhnlich rot oder grün auf, aber nur mit einer schwachen Leistung von weniger als 1 Milliwatt. Die bisher in der Gravitationswellenastronomie benutzten Laser verfügen über Leistungen von 10-50 Watt. Sie sind somit etwa zehntausend Mal heller als die Lichtzeiger. Zudem sind die Laser für das menschliche Auge unsichtbar, denn sie arbeiten im infraroten Frequenzbereich. Die sehr starke Leistung und der Infrarotbereich machen solche Laser aber besonders wertvoll für Forschungszwecke. Die optischen Systeme der Gravitationswelleninterferometer sehen nämlich besonders scharf bei infraroten Wellenlängen und je höher die Leistung eines Lasers ist, um so präziser messen die Detektoren.

Laser Zentrum Hannover e. V.
Einblick in den 200-Watt-Laseroszillator für LIGO
(Bild: Laser Zentrum Hannover e. V.)

Der jetzt vom AEI und dem LZH neu entwickelte und gebaute Hochleistungslaser kommt bei der nächsten Generation von Gravitationswellendetektoren zum Einsatz. Er ist noch einmal um das rund Zehnfache stärker als seine Vorgänger. Er besitzt eine Leistung von 200 W bei einer Wellenlänge von 1.064 nm und zeichnet sich durch bisher unerreichte Stabilität von Leistung und Frequenz aus. Damit ist er weltweit der erste seiner Art, den die Wissenschaftler in einen Gravitationswellendetektor einbauen werden. Diese Entwicklung wurde auch durch SFB/TR7 ermöglicht.

Der 200-Watt-Laseroszillator wird eine neue Ära bei den Gravitationswellendetektoren starten und im Advanced LIGO, der Weiterentwicklung vom LIGO (Laser-Interferometer Gravitationswellen-Observatorium) Anwendung finden. Dieses Instrument wurde nochmals umfangreich verbessert; es kann jetzt, nachgerüstet mit dem neuen Hochleistungslaser, das 1000-fache Volumen mit der gleichen Empfindlichkeit wie bisher untersucht werden.

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