Nichtklassische Interferometrie für Gravitationswellendetektoren bei einer Wellenlänge von 2.1um

• Antragsteller: Professor Dr. Roman Schnabel, seit 8/2019
• Fachliche Zuordnung: Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 388405737

Der jüngst erfolgte direkte Nachweis von Gravitationswellen, die bei der Verschmelzung zweier schwarzer Löcher entstanden sind, läutete den Beginn der Gravitationswellenastronomie ein. Um eine kontinuierliche Detektion von Ereignissen mit hohem Rauschabstand zu gewährleisten werden zukünftige Gravitationswellendetektoren, die auf dem Prinzip der Laserinterferometrie basieren, eine um den Faktor zehn gesteigerte Empfindlichkeit erreichen müssen. Thermisches Rauschen der Spiegel und ihrer Beschichtungen sowie Quantenrauschen des Laserlichts limitieren derzeit die Empfindlichkeit im Detektionsband. Zukünftige Detektoren werden daher auf Spiegel aus kristallinem Silizium wechseln, die auf kryogene Temperaturen heruntergekühlt werden. Dies erfordert eine Änderung der Laserwellenlänge von derzeit 1µm auf ca. 2µm. Desweiteren konnte erfolgreich gezeigt werden, dass gequetschtes Licht das Quantenrauschen in Gravitationswellendetektoren reduzieren kann. Eine Kombination von beiden Techniken ist deshalb ein notwendiger Schritt auf dem Weg zu ergebnisreicher Gravitationswellenastronomie.Bislang war die Laserentwicklung bei 2µm beschränkt auf Anwendungen in der Medizin und LIDAR, daher existiert noch kaum Erfahrung mit den extremen Stabilitätsanforderungen, die die Gravitationswellendetektoren an ihre Hochleistungslaser stellen. Außerdem wurde gequetschtes Licht noch nicht bei 2µm hergestellt. Um die empfindlichen, nichtklassischen Korrelationen nicht zu zerstören, sind Photodetektoren mit nahezu perfekter Quanteneffizienz nötig, die es in diesem Wellenlängenbereich noch nicht gibt.Das Projektteam wird eine umfassende Lösung für Gravitationswellendetektoren bei 2µm entwickeln, basierend auf entarteter parametrischer Abwärtskonversion der existierenden, hochstabilen Laser bei 1064nm. Wir werden eine Quetschlichtquelle bei 2.128µm realisieren und damit zum ersten Mal zeigen, dass diese neue Wellenlänge mit neuartigen Quantenrauschtechniken kompatibel ist. In diesem Zusammenhang werden wir zeigen wie Detektionsverluste durch optisch-parametrische Verstärkung teilweise ausgeglichen werden können und folglich die Notwendigkeit für Photodetektoren mit fast perfekter Quanteneffizienz entfällt. Die von dieser Arbeit gelieferten Resultate werden direkten Einfluss auf die weitere Planung und Realisation von zukünftigen Gravitationswellendetektoren haben, die die Grenzen des beobachtbaren Universums weiter verschieben werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Großgeräte: Hochstabiler Dauerstrichlaser, 2W bei 1064nm
• Gerätegruppe: 5700 Festkörper-Laser
• Ehemaliger Antragsteller: Dr. Sebastian Steinlechner, bis 7/2019