Um ano atrás, foi anunciada a primeira detecção direta de ondas gravitacionais. Especialistas em laser do Instituto Max Planck de Física Gravitacional (Instituto Albert Einstein; AEI), da Leibniz Universität Hannover, e do Laser Zentrum Hannover e.V. (LZH) desempenhou papéis importantes nesta descoberta, porque sua tecnologia de laser superprecisa no coração dos instrumentos LIGO nos EUA permitiu a detecção de sinais fracos de ondas gravitacionais. Agora, Os pesquisadores da AEI apresentaram duas novas tecnologias capazes de aumentar ainda mais a sensibilidade de futuros detectores de ondas gravitacionais. A Max Planck Society agora fortalece o desenvolvimento de sistemas a laser para detectores de ondas gravitacionais de terceira geração. O AEI, em colaboração com o LZH, recebe nos próximos cinco anos 3,75 milhões de euros de financiamento para pesquisa para o desenvolvimento de novos lasers Zentrum Hannover recebe nos próximos cinco anos 3,75 milhões de euros de financiamento para pesquisa para o desenvolvimento de novos lasers e métodos de estabilização.

"Fizemos dois avanços importantes, "diz Apl. Prof. Benno Willke, líder do grupo de desenvolvimento de laser da AEI. "Nosso trabalho é mais um passo em direção ao uso de um novo tipo de perfil de feixe de laser em detectores de ondas gravitacionais interferométricas. Além disso, mostramos como aumentar a estabilidade de energia dos lasers de alta potência usados ​​nos detectores. Esses são passos importantes em direção ao futuro da astronomia de ondas gravitacionais. "Os resultados foram publicados na renomada revista científica Cartas de Óptica e foram destacados pelos editores.

Feixes de laser mais homogêneos

Os feixes de todos os sistemas de laser atualmente usados ​​em detectores de ondas gravitacionais têm maior intensidade no centro do que nas bordas. Isso leva a uma forte influência indesejável das flutuações da superfície do espelho na precisão da medição dos detectores de ondas gravitacionais. Este chamado ruído térmico pode ser reduzido por uma distribuição mais homogênea da intensidade do laser.

Em 2013, uma equipe com envolvimento da AEI mostrou como os feixes de laser de alta potência mais homogêneos nos chamados LG ₃₃ modo pode ser criado. Agora, Andreas Noack estudou em sua tese de mestrado na equipe de Benno Willke como esses feixes de laser podem ser alimentados em futuros detectores de ondas gravitacionais.

A primeira etapa no caminho para o detector é um dispositivo conhecido como limpador de pré-modo, que otimiza o perfil do feixe e reduz a instabilidade do feixe. A equipe de Willke mostrou que o novo LG ₃₃ feixe é incompatível com os limpadores pré-modo atualmente em uso. Os pesquisadores também mostraram como resolver esse problema. Eles desenvolveram um novo limpador de pré-modo, que é compatível com o LG ₃₃ raios laser.

"O design dos detectores de ondas gravitacionais de próxima geração não está definido, "diz Willke." Portanto, estamos testando diferentes tipos de lasers para ter o maior número possível de opções para novos detectores de ondas gravitacionais. Agora demos um grande passo à frente com o promissor LG ₃₃ feixes."

Melhorando a estabilidade da energia do laser para novos detectores de ondas gravitacionais

Todos os detectores de ondas gravitacionais interferométricas, como LIGO, Virgem, e GEO600 dependem de sistemas a laser que mantêm sua alta potência de saída estável ao longo dos anos e que mostram muito poucas flutuações de potência em curto prazo. O grupo de pesquisa de Benno Willke desempenha um papel de liderança mundial nesta área de pesquisa. Eles construíram os sistemas de laser para GEO600 e Advanced LIGO, sem o qual a primeira detecção direta de ondas gravitacionais em setembro de 2015 não teria sido possível.

Agora, Jonas Junker refinou ainda mais o sistema de estabilização de energia existente em sua tese de mestrado na equipe de Willke. Uma parte da luz do laser é captada e distribuída em vários fotodetectores para determinar com precisão a potência total do laser. Se varia, a potência do laser principal é corrigida em conformidade. Em seu experimento, os cientistas ampliaram o sistema atual adicionando, entre outras coisas, outro fotodetector para também controlar e corrigir o apontamento do feixe de laser.

O esquema de estabilização de energia aprimorado foi aplicado com sucesso ao sistema de laser de 35 Watts do interferômetro protótipo de 10 metros no AEI. O protótipo é usado por pesquisadores em Hannover para demonstrações e testes de tecnologias para a terceira geração de detectores e para pesquisas sobre os efeitos da mecânica quântica nesses instrumentos. O nível de estabilidade de potência alcançado é cinco vezes maior do que em experimentos comparáveis ​​de outros grupos. Este valor concorda muito bem com os resultados de experimentos de mesa isolados.

"Um experimento no ambiente bem isolado de um laboratório óptico é completamente diferente de um experimento complexo em grande escala como o protótipo de 10 metros. Mostramos pela primeira vez que é possível transferir o excelente nível de estabilidade de uma mesa experimentar, "diz Willke." Mostramos que essas matrizes de fotodiodo funcionam conforme o esperado, o que significa que também deve ser possível alcançar essa alta estabilidade com os arranjos multi-fotodetectores idênticos usados ​​no Advanced LIGO. "