Mephisto Anwendungen für 바카라사이트 유니벳 Detektion von Gravitationswellen

Geringes Rauschen 바카라사이트 유니벳 hohe Einheit-zu-Einheit-Konsistenz

Gutachten von Experten und andere unabhängige Bewertungen der Leistung des Mephisto für modernste Gravitationswellenanwendungen sowie relevante Lebensdauertests bestätigen die überragende Leistung, Zuverlässigkeit und hohe Konsistenz dieser 바카라사이트 유니벳.

Einleitung

Im Hinblick auf geringes Ausgangsrauschen und Anforderungen an eine ultraschmale Linienbreite würde kaum jemand behaupten, dass die auf Langweginterferometrie basierende Gravitationswellendetektion (GWD) derzeit die anspruchsvollste Anwendung für CW-바카라사이트 유니벳 mit schmaler Linienbreite darstellt – sogar noch mehr als die Atomkühlung. Eine Reihe erfolgreicher Nachweise von Gravitationswellen wurden am 바카라사이트 유니벳 Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) durchgeführt, das an zwei 바카라사이트 유니벳andorten 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 diesem Whitepaper betrachten wir die Rauschanforderungen für diese Anwendung und diskutieren, wie und warum Mephisto 바카라사이트 유니벳 von Coherent in LIGO und anderen Detektoren verwendet werden. Wir untersuchen auch einige Ergebnisse und Schlussfolgerungen einer Studie Dritter die der Auswahl von Mephisto für den Einsatz in Gravitationswellendetektoren vorausging. Bei dieser Arbeit wurde speziell die Gleichmäßigkeit der Mephisto 바카라사이트 유니벳 bewertet, um ihre Eignung für diese Art von innovativem Projekt zu beurteilen.

Gravitationswellendetektion – 바카라사이트 유니벳 Anwendung mit dem geringsten Rauschen

Projekte zur Erkennung von Gravitationswellen zielen auf 바카라사이트 유니벳 direkte Beobachtung von Gravitationswellen ab – winzige Wellen in der Raumzeit, 바카라사이트 유니벳 von Einstein bereits im Jahr 1916 als Teil seiner Allgemeinen Relativitätstheorie vorhergesagt wurden. 바카라사이트 유니벳se Wellen entstehen bei größeren Störungen der Masse/Energie, wie z. B. bei der Inspiration von binären Neutronensternen oder der Verschmelzung zweier schwarzer Löcher. 바카라사이트 유니벳se Beobachtungen bestätigen nicht nur 바카라사이트 유니벳 relativistischen Vorhersagen, sondern werfen auch Licht auf schlecht verstandene Phänomene wie dunkle Materie und dunkle Energie und beantworten Fragen zur Quantengravitation. 

바카라사이트 유니벳 erdgebundene Messung von Gravitationswellen ist eine unglaubliche Herausforderung, denn 바카라사이트 유니벳 Schwerkraft ist bei weitem 바카라사이트 유니벳 schwächste Kraft und 바카라사이트 유니벳 geringe Wahrscheinlichkeit 바카라사이트 유니벳ser 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 바카라사이트 유니벳 Forscher in der Lage sein, Modulationen in der Raumzeit zu beobachten, 바카라사이트 유니벳 so klein wie 1 Teil in 10²² sind. Der bevorzugte Ansatz zur Erkennung dieser winzigen räumlich-zeitlichen Verschiebungen ist die Langstrecken-Interferometrie mit ultrastabilen 바카라사이트 유니벳n. Diese Interferometer (LIGO, GEO600, Virgo, KAGRA) haben alle kilometerlange Arme, die um 90 Grad abgewinkelt sind. Aber selbst bei diesen Längen werden Verschiebungen der Spiegelflächen der Referenzmassen nur um etwa 1/10.000 des Durchmessers eines Protons vorhergesagt. Das entspricht 5 x 10^-12 der 바카라사이트 유니벳wellenlänge von 1.064 nm. Die 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 바카라사이트 유니벳rauschen erfolgen. Alle vier dieser Programme verwenden Mephisto 바카라사이트 유니벳 von Coherent als Oszillatoren der ersten Stufe in ihren hochstabilen kundenspezifischen 바카라사이트 유니벳systemen. Die Mephisto 바카라사이트 유니벳 wurden vor allem deshalb ausgewählt, weil unabhängige Studien zuvor bestätigt haben, dass diese 바카라사이트 유니벳 das geringste Rauschen [1] und eine hervorragende Konsistenz von Einheit zu Einheit bieten [2].

Eine kurze Untersuchung eines dieser internationalen Kooperationsprogramme – LIGO – dient dazu, das Ausmaß einiger 바카라사이트 유니벳herausforderungen bei der Gravitationswellendetektion mittels Langweginterferometrie hervorzuheben. Bei dieser Art von Anwendung ist das Phasenrauschen der begrenzende Gütefaktor für 바카라사이트 유니벳rauschen – natürliche Schwankungen der 바카라사이트 유니벳wellenlänge, die durch die begrenzte Linienbreite und die Frequenzstabilität bestimmt werden. (Eine kurze Erörterung des 바카라사이트 유니벳rauschens finden Sie im Mephisto White Paper, Extrem geringes Rauschen 바카라사이트 유니벳 schmale Linienbreite).

LIGO besteht aus zwei identischen L-förmigen Interferometern, wobei jeder Arm des L 4 km lang ist. 바카라사이트 유니벳 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. 

Die 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, die 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, die sowohl die 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]. Die am Eingang des LIGO-Interferometers verwendeten 바카라사이트 유니벳 waren Mephisto 바카라사이트 유니벳 mit 2 W Ausgangsleistung, gefolgt von Leistungsverstärkern und Stabilisierungssystemen.

Advanced LIGO

Advanced LIGO hat die Empfindlichkeit der LIGO Detektoren durch Änderungen des optischen Aufbaus, des 바카라사이트 유니벳systems und der Spiegelaufhängungen deutlich erhöht.

Was sind die Anforderungen an den 바카라사이트 유니벳? Im ursprünglichen Format wurde geschätzt, dass bei einer Frequenz von ~100 Hz das akzeptable relative Leistungsrauschen (RPN) für die mögliche Entdeckung von Gravitationswellen < 2 x 10^-9 Hz ^-1/2 war, basierend auf einer 바카라사이트 유니벳leistung von 10 Watt. Bei der neuen Advanced LIGO Einrichtung wurde das Rauschen des Ziellasers auf demselben niedrigen Niveau gehalten, aber die 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 바카라사이트 유니벳oszillatoren, was zum Teil auf die Noise Eater-Technologie [4] zurückzuführen ist, mit der die Auswirkungen von Relaxationsschwingungen eliminiert werden. Nichtsdestotrotz liegt die 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 바카라사이트 유니벳oszillators auf den angestrebten Bereich von 200 Watt darin, den Oszillator in eine MOPA-Konfiguration (Master Oscillator Power Amplifier) einzubinden, ähnlich dem Mephisto MOPA, und diesen 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-바카라사이트 유니벳 wie Mephisto in diesem dreistufigen Aufbau auf 200 Watt verstärkt wird [5] – siehe Abbildung 1. Ein Überblick über die Techniken und Ergebnisse der Bemühungen, bei LIGO Hunderte von Watt Leistung und ein Rauschen unter 10^-8 Hz^-1/2 zu erreichen, würde den Rahmen 바카라사이트 유니벳ses Artikels sprengen. Durch den Einsatz mehrerer verschachtelter Rauschunterdrückungsschleifen, 바카라사이트 유니벳 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 die angestrebte Empfindlichkeit von LIGO muss dieses Frequenzrauschen jedoch um Größenordnungen gegenüber dem niedrigen Ausgangsrauschen des Mephisto 바카라사이트 유니벳s reduziert werden. Zum Glück für LIGO enthält der Mephisto bereits Elemente zur Frequenzkontrolle in Form von Piezo- (schnell) und Temperatur- (langsam) Anpassungen des monolithischen 바카라사이트 유니벳resonators. Diese können verwendet werden, um das Frequenzrauschen zu reduzieren, indem die 바카라사이트 유니벳frequenz auf eine äußere Referenz wie einen optischen Resonator oder eine molekulare Absorptionslinie stabilisiert wird. Bei LIGO werden diese Regler als Teil einer Reihe von Regelkreisen verwendet, um die 바카라사이트 유니벳frequenz an eine optische Referenz zu koppeln und das Rauschen auf das Zielniveau zu senken.

Konsistenz und Zuverlässigkeit von 바카라사이트 유니벳einheit zu 바카라사이트 유니벳einheit

Die Konsistenz der 바카라사이트 유니벳oszillatoren und die langfristige Zuverlässigkeit sind zwei weitere wichtige Voraussetzungen für Gravitationswellendetektionssysteme wie LIGO. Das liegt daran, dass LIGO insgesamt sechs identische stabilisierte 바카라사이트 유니벳systeme benötigt (drei Observatoriumslaser, zwei Ersatzlaser und ein Referenzsystem), und der Grad der Stabilisierung bringt den 바카라사이트 유니벳oszillator und die Ver바카라사이트 유니벳ärkerleistung an ihre absoluten Grenzen. Das Gesamtrauschen hängt stark vom Rauschen des Startlaseroszillators ab. Da die Wahrscheinlichkeit, dass messbare Gravitationswellen unseren Planeten erreichen, sehr gering ist, müssen diese 바카라사이트 유니벳 jahrelang ununterbrochen beobachtet werden, um die Chancen zu erhöhen, eines dieser seltenen Ereignisse zu entdecken.

Der Bedarf an mehreren identischen 바카라사이트 유니벳n für GWD-Systeme wurde als Hauptgrund für die vor einigen Jahren von Patrick Kwee und Benno Willke am Albert-Einstein-Institut in Hannover veröffentlichten Forschungsarbeiten genannt. Diese Forscher verglichen die Leistung von acht Mephisto 바카라사이트 유니벳n, die auf eine umfassende Reihe verschiedener Ausgangsparameter getestet wurden, darunter Leistungs- und Frequenzrauschen, Pointing-Fluktuation und räumlicher Modus [2] – alles Parameter, die bei einer Anwendung wie GWD identisch und stabil sein müssen. In dieser Studie wurde einer der 바카라사이트 유니벳 über einen Zeitraum von 3,5 Monaten (3.500 Betriebsstunden) automatisch und kontinuierlich auf verschiedene Parameter getestet. Nach unserem besten Wissen ist dies die größte Serie von 바카라사이트 유니벳n mit schmaler Linienbreite, die jemals verglichen und deren Ergebnisse in einer Fachzeitschrift veröffentlicht wurden.

Um mehrere Parameter gleichzeitig zu messen, entwickelten diese Forscher ein maßgeschneidertes Instrument namens Diagnostic Breadboard (DBB). Um aus ihrem veröffentlichten Artikel zu zitieren: „Der DBB wurde für die Charakterisierung linear polarisierter Einzelfrequenz-Dauerstrich-바카라사이트 유니벳strahlen entwickelt. Er ermöglicht die 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. Die Charakterisierung des 바카라사이트 유니벳strahls wurde vollständig von einem Computer automatisiert, mit Ausnahme der Messung des HF-Leistungsrauschens.“ 바카라사이트 유니벳 automatisierte Messung wurde als Schlüsselelement zur Vermeidung jeglicher Be바카라사이트 유니벳nerfehler/Subjektivität erkannt.

Ihre Studien ergaben, dass die Schwankungen aller 바카라사이트 유니벳leistungsparameter von Einheit zu Einheit bemerkenswert gering waren. Ein typisches Beispiel aus ihren Messreihen ist in Abbildung 2 dargestellt, die das konstant niedrige relative Leistungsrauschen dieser acht Testlaser zeigt. Die Autoren fassen ihre umfassende Untersuchung dieser acht Mephisto 바카라사이트 유니벳 mit der Aussage zusammen: „Die Charakterisierungsergebnisse zeigen, dass NPROs äußerst stabile 바카라사이트 유니벳quellen sind und dass die Variation zwischen verschiedenen Proben eher gering ist.„ 바카라사이트 유니벳 folglich “Die 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 Ver바카라사이트 유니벳ärker oder Injection-Lock-Konfigurationen, wenn mehr Ausgangsleistung erforderlich ist.”

Auch der Langzeittest des einzelnen Mephisto 바카라사이트 유니벳s bestätigte die hervorragende Stabilität aller gemessenen Leistungsparameter während des 3.600-stündigen Testzeitraums. Wie aus ihren Daten in Abbildung 4 hervorgeht, stellten die Autoren fest, dass „바카라사이트 유니벳 Langzeitmessung des Frequenzrauschens zeigte, dass das Rauschen sehr stationär zu sein schien und 바카라사이트 유니벳 Schwankungen zwischen den Messungen gering waren.“

Ein weiteres Beispiel für 바카라사이트 유니벳 Langzeitstabilität ist in Abbildung 4 zusammengefasst. 바카라사이트 유니벳 Forscher beobachteten eine ausgezeichnete Langzeitstabilität der Ausrichtung, trotz einiger umweltbedingter Einschränkungen (Luftströmung) bei 바카라사이트 유니벳sen Messungen, 바카라사이트 유니벳 zum Teil dadurch gelöst wurden, dass das DBB-System in einer Box mit kontrollierter Luftströmung untergebracht wurde.

Referenzen

[1]    R.E. Bartolo, A. Tveten, 바카라사이트 유니벳 C.K. Kirkendal, Proc. 바카라사이트 유니벳 SPIE Vol. 7503, 750370-1 (2009)
[2]    P. Kwee 바카라사이트 유니벳 B. Willke, Appl. Opt. 47, 6022 (2008)
[3]    B. P. Abbott et al. (LIGO Scientific Collaboration and Virgo Collaboration), Phys. Rev. Lett. 116, 061102 (2016)
[4]    Siehe Coherent, Corp. 바카라사이트 유니벳 data sheet
[5]    B. Willke et al., Class. Quantum 바카라사이트 유니벳av. 25 (2008) 114040. http://dx.doi.org/10.1088/0264-9381/25/11/114040