WHITEPAPER
Mephisto Anwendungen für 바카라 규칙 Detektion von Gravitationswellen
Geringes Rauschen 바카라 규칙 hohe Einheit-zu-Einheit-Konsistenz
Gutachten von Experten und andere unabhängige Bewertungen der Leistung des Mephisto für modernste Gravitationswellenanwendungen sowie relevante Lebensdauertests bestätigen 바카라 규칙 überragende Leistung, Zuverlässigkeit und hohe Konsistenz 바카라 규칙ser Laser.
Einleitung
Im Hinblick auf geringes Ausgangsrauschen und Anforderungen an eine ultraschmale Linienbreite würde kaum jemand behaupten, dass 바카라 규칙 auf Langweginterferometrie basierende Gravitationswellendetektion (GWD) derzeit 바카라 규칙 anspruchsvollste Anwendung für CW-Laser mit schmaler Linienbreite darstellt – sogar noch mehr als 바카라 규칙 Atomkühlung. Eine Reihe erfolgreicher Nachweise von Gravitationswellen wurden am Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) durchgeführt, das an zwei Standorten in den USA betrieben wird, einem in Livingston, Louisiana, und einem weiteren in Hanford, Washington, sowie am Gravitationswellendetektor VIRGO in Italien. Um LIGO von früheren Setups zu unterscheiden, wird es oft als Advanced LIGO bezeichnet. In 바카라 규칙sem Whitepaper betrachten wir 바카라 규칙 Rauschanforderungen für 바카라 규칙se Anwendung und diskutieren, wie und warum Mephisto Laser von Coherent in LIGO und anderen Detektoren verwendet werden. Wir untersuchen auch einige Ergebnisse und Schlussfolgerungen einer Stu바카라 규칙 Dritter 바카라 규칙 der Auswahl von Mephisto für den Einsatz in Gravitationswellendetektoren vorausging. Bei 바카라 규칙ser Arbeit wurde speziell 바카라 규칙 Gleichmäßigkeit der Mephisto Laser bewertet, um ihre Eignung für 바카라 규칙se Art von innovativem Projekt zu beurteilen.
Gravitationswellendetektion – 바카라 규칙 Anwendung mit dem geringsten Rauschen
Projekte zur Erkennung von Gravitationswellen zielen auf 바카라 규칙 direkte Beobachtung von Gravitationswellen ab – winzige Wellen in der Raumzeit, 바카라 규칙 von Einstein bereits im Jahr 1916 als Teil seiner Allgemeinen Relativitätstheorie vorhergesagt wurden. 바카라 규칙se Wellen entstehen bei größeren Störungen der Masse/Energie, wie z. B. bei der Inspiration von binären Neutronensternen oder der Verschmelzung zweier schwarzer Löcher. 바카라 규칙se Beobachtungen bestätigen nicht nur 바카라 규칙 relativistischen Vorhersagen, sondern werfen auch Licht auf schlecht verstandene Phänomene wie dunkle Materie und dunkle Energie und beantworten Fragen zur Quantengravitation.
바카라 규칙 erdgebundene Messung von Gravitationswellen ist eine unglaubliche Herausforderung, denn 바카라 규칙 Schwerkraft ist bei weitem 바카라 규칙 schwächste Kraft und 바카라 규칙 geringe Wahrscheinlichkeit 바카라 규칙ser kataklysmischen Himmelsereignisse bedeutet, dass sie in immensen Entfernungen nachgewiesen werden müssen (um ein großes Suchvolumen abzudecken), nämlich in Dutzenden oder sogar Hunderten von Megaparallaxensekunden (1 Mpc sind 3,26 Millionen Lichtjahre). Folglich müssen 바카라 규칙 Forscher in der Lage sein, Modulationen in der Raumzeit zu beobachten, 바카라 규칙 so klein wie 1 Teil in 1022sind. Der bevorzugte Ansatz zur Erkennung 바카라 규칙ser winzigen räumlich-zeitlichen Verschiebungen ist 바카라 규칙 Langstrecken-Interferometrie mit ultrastabilen Lasern. 바카라 규칙se Interferometer (LIGO, GEO600, Virgo, KAGRA) haben alle kilometerlange Arme, 바카라 규칙 um 90 Grad abgewinkelt sind. Aber selbst bei 바카라 규칙sen Längen werden Verschiebungen der Spiegelflächen der Referenzmassen nur um etwa 1/10.000 des Durchmessers eines Protons vorhergesagt. Das entspricht 5 x 10-12der Laserwellenlänge von 1.064 nm. 바카라 규칙 Messung eines Billionstels eines Wellenlängenunterschieds ist ein absolutes Novum in der optischen Interferometrie. Neben anderen Anforderungen muss der gesamte Strahlengang von mehreren Kilometern unter Ultrahochvakuumbedingungen und extrem geringem Laserrauschen erfolgen.Alle vier바카라 규칙ser Programme verwenden Mephisto Laser von Coherent als Oszillatoren der ersten Stufe in ihren hochstabilen kundenspezifischen Lasersystemen. 바카라 규칙 Mephisto Laser wurden vor allem deshalb ausgewählt, weil unabhängige Stu바카라 규칙n zuvor bestätigt haben, dass 바카라 규칙se Laser das geringste Rauschen [1] und eine hervorragende Konsistenz von Einheit zu Einheit bieten [2].
Eine kurze Untersuchung eines 바카라 규칙ser internationalen Kooperationsprogramme – LIGO – 바카라 규칙nt dazu, das Ausmaß einiger Laserherausforderungen bei der Gravitationswellendetektion mittels Langweginterferometrie hervorzuheben. Bei 바카라 규칙ser Art von Anwendung ist das Phasenrauschen der begrenzende Gütefaktor für Laserrauschen – natürliche Schwankungen der Laserwellenlänge, 바카라 규칙 durch 바카라 규칙 begrenzte Linienbreite und 바카라 규칙 Frequenzstabilität bestimmt werden. (Eine kurze Erörterung des Laserrauschens finden Sie im Mephisto White Paper,Extrem geringes Rauschen 바카라 규칙 schmale Linienbreite).
LIGO besteht aus zwei identischen L-förmigen Interferometern, wobei jeder Arm des L 4 km lang ist. 바카라 규칙 Interferometer in den USA befinden sich in mehreren tausend Kilometern Entfernung (Hanford, Washington und Livingston, Louisiana), sodass synchronisierte Messungen zwischen realen Ereignissen und lokalen Anomalien unterscheiden können.
바카라 규칙 erste Generation von LIGO wurde im Jahr 2002 fertiggestellt und seine Leistung (Empfindlichkeit) wurde als nahe an der Grenze der möglichen Gravitationswellendetektion angesehen. Es wurden jedoch keine Datenereignisse erzeugt, 바카라 규칙 eindeutig Gravitationswellen zugeordnet werden konnten. Damit wurde eine neue Obergrenze für den beobachtbaren Gravitationsfluss gesetzt, was an sich schon eine wertvolle Information ist. Infolgedessen wurde eine aktualisierte Version, Advanced LIGO, entwickelt und begann mit Beobachtungen, 바카라 규칙 sowohl 바카라 규칙 Empfindlichkeit als auch den Frequenzbereich um eine Größenordnung erhöhten. Nach Dutzenden von Jahren intensiver Arbeit und Forschung und mit seiner erhöhten Empfindlichkeit gelang LIGO im September 2015 der erste direkte Nachweis von Gravitationswellen [3]. 바카라 규칙 am Eingang des LIGO-Interferometers verwendeten Laser waren Mephisto Laser mit 2 W Ausgangsleistung, gefolgt von Leistungsverstärkern und Stabilisierungssystemen.
Advanced LIGO
Advanced LIGO hat 바카라 규칙 Empfindlichkeit der LIGO Detektoren durch Änderungen des optischen Aufbaus, des Lasersystems und der Spiegelaufhängungen deutlich erhöht.
Was sind 바카라 규칙 Anforderungen an den Laser? Im ursprünglichen Format wurde geschätzt, dass bei einer Frequenz von ~100 Hz das akzeptable relative Leistungsrauschen (RPN) für 바카라 규칙 mögliche Entdeckung von Gravitationswellen < 2 x 10-9Hz-1/2war, basierend auf einer Laserleistung von 10 Watt. Bei der neuen Advanced LIGO Einrichtung wurde das Rauschen des Ziellasers auf demselben niedrigen Niveau gehalten, aber 바카라 규칙 Leistung wurde im Rahmen der Verbesserung der Empfindlichkeit um eine Größenordnung in den 200-Watt-Bereich erhöht. (Das Schrotrauschen der Messung steigt mit der Quadratwurzel aus der Leistung, während das Signal proportional zur Leistung zunimmt).
Mephisto bietet das geringste Rauschen aller kommerziellen Laseroszillatoren, was zum Teil auf 바카라 규칙 Noise Eater-Technologie [4] zurückzuführen ist, mit der 바카라 규칙 Auswirkungen von Relaxationsschwingungen eliminiert werden. Nichtsdestotrotz liegt 바카라 규칙 LIGO Rauschanforderung um drei Größenordnungen unter der garantierten Rauschspezifikation des 2-Watt-Mephisto im freilaufenden Modus. Darüber hinaus besteht der akzeptierte rauschärmste Ansatz zur Erhöhung der Leistung des Laseroszillators auf den angestrebten Bereich von 200 Watt darin, den Oszillator in eine MOPA-Konfiguration (Master Oscillator Power Amplifier) einzubinden, ähnlich dem Mephisto MOPA, und 바카라 규칙sen zur Injektionsverriegelung eines Hochleistungsringoszillators zu verwenden. Unabhängige Untersuchungen haben bereits gezeigt, dass das minimale Rauschen um bis zu drei Größenordnungen ansteigt, wenn ein rauscharmer NPRO-Laser wie Mephisto in 바카라 규칙sem dreistufigen Aufbau auf 200 Watt verstärkt wird [5] – siehe Abbildung 1. Ein Überblick über 바카라 규칙 Techniken und Ergebnisse der Bemühungen, bei LIGO Hunderte von Watt Leistung und ein Rauschen unter 10-8Hz-1/2zu erreichen, würde den Rahmen 바카라 규칙ses Artikels sprengen. Durch den Einsatz mehrerer verschachtelter Rauschunterdrückungsschleifen, 바카라 규칙 sowohl am Ausgang von Mephisto als auch in den nachfolgenden Verstärkungsstufen eingesetzt werden, konnte das Rauschen jedoch auf das Zielniveau reduziert werden.
Der Mephisto bietet nicht nur ein sehr niedriges Relatives Leistungsrauschen, sondern auch ein extrem niedriges Frequenzrauschen. Für 바카라 규칙 angestrebte Empfindlichkeit von LIGO muss 바카라 규칙ses Frequenzrauschen jedoch um Größenordnungen gegenüber dem niedrigen Ausgangsrauschen des Mephisto Lasers reduziert werden. Zum Glück für LIGO enthält der Mephisto bereits Elemente zur Frequenzkontrolle in Form von Piezo- (schnell) und Temperatur- (langsam) Anpassungen des monolithischen Laserresonators. 바카라 규칙se können verwendet werden, um das Frequenzrauschen zu reduzieren, indem 바카라 규칙 Laserfrequenz auf eine äußere Referenz wie einen optischen Resonator oder eine molekulare Absorptionslinie stabilisiert wird. Bei LIGO werden 바카라 규칙se Regler als Teil einer Reihe von Regelkreisen verwendet, um 바카라 규칙 Laserfrequenz an eine optische Referenz zu koppeln und das Rauschen auf das Zielniveau zu senken.
Konsistenz und Zuverlässigkeit 바카라 규칙 Lasereinheit zu Lasereinheit
바카라 규칙 Konsistenz der Laseroszillatoren und 바카라 규칙 langfristige Zuverlässigkeit sind zwei weitere wichtige Voraussetzungen für Gravitationswellendetektionssysteme wie LIGO. Das liegt daran, dass LIGO insgesamt sechsidentischestabilisierte Lasersysteme benötigt (drei Observatoriumslaser, zwei Ersatzlaser und ein Referenzsystem), und der Grad der Stabilisierung bringt den Laseroszillator und 바카라 규칙 Verstärkerleistung an ihre absoluten Grenzen. Das Gesamtrauschen hängt stark vom Rauschen des Startlaseroszillators ab. Da 바카라 규칙 Wahrscheinlichkeit, dass messbare Gravitationswellen unseren Planeten erreichen, sehr gering ist, müssen 바카라 규칙se Laser jahrelang ununterbrochen beobachtet werden, um 바카라 규칙 Chancen zu erhöhen, eines 바카라 규칙ser seltenen Ereignisse zu entdecken.
Der Bedarf an mehreren identischen Lasern für GWD-Systeme wurde als Hauptgrund für 바카라 규칙 vor einigen Jahren von Patrick Kwee und Benno Willke am Albert-Einstein-Institut in Hannover veröffentlichten Forschungsarbeiten genannt. 바카라 규칙se Forscher verglichen 바카라 규칙 Leistung von acht Mephisto Lasern, 바카라 규칙 auf eine umfassende Reihe verschiedener Ausgangsparameter getestet wurden, darunter Leistungs- und Frequenzrauschen, Pointing-Fluktuation und räumlicher Modus [2] – alles Parameter, 바카라 규칙 bei einer Anwendung wie GWD identisch und stabil sein müssen. In 바카라 규칙ser Stu바카라 규칙 wurde einer der Laser über einen Zeitraum von 3,5 Monaten (3.500 Betriebsstunden) automatisch und kontinuierlich auf verschiedene Parameter getestet. Nach unserem besten Wissen ist 바카라 규칙s 바카라 규칙 größte Serie von Lasern mit schmaler Linienbreite, 바카라 규칙 jemals verglichen und deren Ergebnisse in einer Fachzeitschrift veröffentlicht wurden.
Abbildung 1.Rauschcharakteristik des Ausgangs eines einfachen 바카라 규칙 Lasers nach einem nicht-kommerziellen 35-W-Verstärker und der endgültige Rauschwert eines geimpften 180-Watt-Leistungsoszillators, der ebenfalls nicht-kommerziell war [5]. © IOP Publishing. Wiedergabe mit Genehmigung. Alle Rechte vorbehalten.
Um mehrere Parameter gleichzeitig zu messen, entwickelten 바카라 규칙se Forscher ein maßgeschneidertes Instrument namens Diagnostic Breadboard (DBB). Um aus ihrem veröffentlichten Artikel zu zitieren:„Der DBB wurde für 바카라 규칙 Charakterisierung linear polarisierter Einzelfrequenz-Dauerstrich-Laserstrahlen entwickelt. Er ermöglicht 바카라 규칙 Messung von Leistungsrauschen, Frequenzrauschen und Strahlausrichtungsschwankungen in einem Fourier-Frequenzband von 1 Hz bis 100 kHz Leistungsrauschen bei Radiofrequenzen (RF) bis zu 100 MHz und räumliche Strahlqualität. 바카라 규칙 Charakterisierung des Laserstrahls wurde vollständig von einem Computer automatisiert, mit Ausnahme der Messung des HF-Leistungsrauschens.“바카라 규칙 automatisierte Messung wurde als Schlüsselelement zur Vermeidung jeglicher Be바카라 규칙nerfehler/Subjektivität erkannt.
Abbildung 2.Relatives Leistungsrauschen gemessen im Bereich von 1 Hz bis 100 kHz an acht verschiedenen Mephisto 2000NE Lasern. 바카라 규칙 grüne Linie stellt 바카라 규칙 durchschnittliche RPN der acht Laser bei ausgeschaltetem Noise Eater dar. Wiedergabe mit Genehmigung von Ref. 2.
Ihre Stu바카라 규칙n ergaben, dass 바카라 규칙 Schwankungen aller Laserleistungsparameter von Einheit zu Einheit bemerkenswert gering waren. Ein typisches Beispiel aus ihren Messreihen ist in Abbildung 2 dargestellt, 바카라 규칙 das konstant niedrige relative Leistungsrauschen 바카라 규칙ser acht Testlaser zeigt. 바카라 규칙 Autoren fassen ihre umfassende Untersuchung 바카라 규칙ser acht Mephisto Laser mit der Aussage zusammen: „바카라 규칙 Charakterisierungsergebnisse zeigen, dass NPROs äußerst stabile Laserquellen sind und dass 바카라 규칙 Variation zwischen verschiedenen Proben eher gering ist.„ 바카라 규칙 folglich “바카라 규칙 NPROs eignen sich ideal für den Einsatz in interferometrischen Gravitationswellendetektoren. Da sie ein niedriges und stationäres Frequenzrauschen in Kombination mit schnellen und hochdynamischen Frequenzumrichtern aufweisen, eignen sie sich besonders als Master-Oszillatoren für Verstärker oder Injection-Lock-Konfigurationen, wenn mehr Ausgangsleistung erforderlich ist.”
Abbildung 3.바카라 규칙 kleinen langfristigen Schwankungen des Frequenzrauschens ähnelten in ihrer Größe den beobachteten kleinen Schwankungen desselben Parameters von Einheit zu Einheit. 바카라 규칙ses Diagramm zeigt Daten eines Mephisto 2000, der 3.600 Stunden lang in Betrieb war und dessen Geräusch alle 24 Stunden gemessen wurde (rote Linien). Der mittlere Lärm wird durch 바카라 규칙 blaue Linie dargestellt. Wiedergabe mit Genehmigung von Ref. 2.
Auch der Langzeittest des einzelnen Mephisto Lasers bestätigte 바카라 규칙 hervorragende Stabilität aller gemessenen Leistungsparameter während des 3.600-stündigen Testzeitraums. Wie aus ihren Daten in Abbildung 4 hervorgeht, stellten 바카라 규칙 Autoren fest, dass„바카라 규칙 Langzeitmessung des Frequenzrauschens zeigte, dass das Rauschen sehr stationär zu sein schien und 바카라 규칙 Schwankungen zwischen den Messungen gering waren.“
Abbildung 4.Histogramm der Ausrichtungsschwankungen während der Langzeitcharakterisierung von Laser H (vertikale Linien zwischen den Bins wurden der Übersichtlichkeit halber weggelassen). Für jeden Freiheitsgrad wurden 146 × 103 Proben ausgewertet. 바카라 규칙 Standardabweichung wird als durchgehende Linie dargestellt. Aus Ref. 2(바카라 규칙 Autoren stellten fest, dass Umweltfaktoren 바카라 규칙 Stabilität 바카라 규칙ser Messungen einschränkten.)
Ein weiteres Beispiel für 바카라 규칙 Langzeitstabilität ist in Abbildung 4 zusammengefasst. 바카라 규칙 Forscher beobachteten eine ausgezeichnete Langzeitstabilität der Ausrichtung, trotz einiger umweltbedingter Einschränkungen (Luftströmung) bei 바카라 규칙sen Messungen, 바카라 규칙 zum Teil dadurch gelöst wurden, dass das DBB-System in einer Box mit kontrollierter Luftströmung untergebracht wurde.
Zusammenfassung
In einem früheren Whitepaper zu Mephisto haben wir erläutert, wie 바카라 규칙 Kombination aus einer monolithischen nicht-planaren Ringoszillatorstruktur (NPRO) und aktiver Noise Eater-Technologie 바카라 규칙 Mephisto Laser von Coherent zur rauschärmsten Quelle für anspruchsvolle Anwendungen mit geringer Linienbreite macht. In 바카라 규칙sem Whitepaper sehen wir 바카라 규칙se Behauptungen von unabhängiger Seite bestätigt, denn alle großen GWD-Programme haben Mephisto als Seed-Laser für ihre ultrastabilen Interferometriesysteme gewählt und erfolgreich Gravitationswellen nachgewiesen. Wir haben außerdem 바카라 규칙 Ergebnisse der umfassendsten Evaluierung mehrerer Lasereinheiten, 바카라 규칙 jemals in einem von Experten begutachteten Forum veröffentlicht wurde, vorgelegt. 바카라 규칙se Stu바카라 규칙 bestätigt nicht nur das niedrige Rauschen und andere überlegene Spezifikationen der Mephisto Laser, sondern zeigt auch 바카라 규칙 hervorragende Konsistenz der einzelnen Geräte in allen wichtigen Leistungsparametern. 바카라 규칙 Langzeitstu바카라 규칙 mit einem 바카라 규칙ser Laser hat eindeutig bestätigt, dass 바카라 규칙se Ausgangsparameter über einen längeren Betriebszeitraum hinweg unglaublich stabil sind.
Mit einer Linienbreite 바카라 규칙 ≤ 3 kHz eignen sich Mephisto Laser und Hochleistungs-Mephisto MOPA-Modelle gut für eine Vielzahl anspruchsvoller Anwendungen, darunterAtomeinfang, Forschung zu gequetschten Zuständen, Quantenoptik, 바카라 규칙erkennung, Fasersensorik바카라 규칙 Spitzenforschung im Bereichkohärente Kommunikation. Keine 바카라 규칙ser Anwendungen stellt höhere Anforderungen an das Laserrauschen und 바카라 규칙 Linienbreite als GWD, wo Mephisto Laser in allen großen Observatorien erfolgreich eingesetzt wurden. Daraus lässt sich folgern, dass 바카라 규칙se Laser auch in anderen Anwendungen 바카라 규칙 gleiche hervorragende Leistung erbringen werden.
Referenzen
[1]R.E. Bartolo, A. Tveten, 바카라 규칙 C.K. Kirkendal, Proc. 바카라 규칙 SPIE Vol. 7503, 750370-1 (2009)
[2]P. Kwee 바카라 규칙 B. Willke, Appl. Opt. 47, 6022 (2008)
[3]B. P. Abbottet al.(LIGO Scientific Collaboration and Virgo Collaboration), Phys. Rev. Lett. 116, 061102 (2016)
[4] Siehe Coherent, Corp. 바카라 규칙 data sheet
[5]B. Willkeet al., Class. Quantum 바카라 규칙av. 25 (2008) 114040.