Kurzfassung
Seit der ersten Messung von Gravitationswellen im Jahr 2015 hat sich das Forschungsfeld zu Gravitationswellen-Astronomie weiterentwickelt, mit Multi-Messenger-Messungen und Ereignisstatistik. Rauschquellen müssen weiter reduziert werden, um die Messreichweite zu vergrößern und um mehr Informationen über die gemessenen Ereignisse zu bekommen. In aktuellen Observatorien ist das Brown'sche Rauschen der optischen Beschichtungen die dominante Rauschquelle bei etwa 100 Hz. Um diese thermische Rauschquelle zu vermeiden, sollen die Testmassen in zukünftigen Gravitationswellen-Observatorien (GWOs) auf kryogene Temperaturen gekühlt werden. Die mechanischen Eigenschaften des aktuell genutzten Quarzglases verschlechtern sich bei tiefen Temperaturen, weshalb kristallines Silizium mit amorphen siliziumbasierten Beschichtungen als Testmassen-Material in Betracht gezogen wird. Das macht jedoch einen Wechsel der Laser-Wellenlänge von 1064 nm zu etwa 2 µm notwendig. Dann ist Quantenrauschen die einzige verbleibende Rauschquelle bei mittleren und höheren Frequenzen. Daher werden alle notwendigen Technologien für die neue Wellenlänge mit hoher Priorität erforscht.
Diese Arbeit stellt eine gequetschte Lichtquelle bei 2128 nm vor, wo ein Nd:YAG nicht planarer Ring-Oszillator (NPRO) Laser bei 1064 nm verwendet wird, um über Wellenlängen-Verdopplung ultra-stabiles Laserlicht für Interferometrie bereitzustellen. Eine externe Konversionseffizienz von (87.1±0.4)% (intern 93 %) konnte bei einer Pumpleistung von 52 mW erreicht werden. Eine Anpassung des Konversionsaufbaus zu höheren Laserleistungen könnte den Bedarf von 2 µm Laserverstärkern vermeiden. Die NPRO Laser wurden über Jahrzehnte stark optimiert, um die technologischen Voraussetzungen für Leistungsstabilität, Amplituden- und Phasenrauschen zu erreichen. Verfügbare Laser bei etwa 2 µm erreichen bislang nicht die benötigten Voraussetzungen, daran wird aber derzeit geforscht. Mit gequetschtem Licht wird die Unschärfe des Lichtfeldes auf (7.2±0.2)dB unterhalb des Schrotrauschlevels reduziert, hauptsächlich limitiert durch die Quanteneffizienz von (92±3)dB der verfügbaren Photodioden. Als Teil der Technologieentwicklung wurden zwei digitale Regelungssysteme entwickelt, die benutzt werden, um Resonatoren (NQontrol) und Kristalltemperaturen (Raspitemp) zu stabilisieren. NQontrol ist ein quelloffenes digitales Regelungssystem, das acht Kanäle gleichzeitig regeln kann. Es bietet komplexe Möglichkeiten, Regelkreise zu optimieren und hohe Flexibilität, um das System an verschiedene Anforderungen anzupassen. Raspitemp ist ein modulares digitales Temperatur-Regelungssystem, das bis zu 20 Temperaturen gleichzeitig regeln kann, mit einer hohen Präzision von <10 mK.
Um bei den GWOs der nächsten Generation das angestrebte Quetsch-Niveau von 10 dB zu erreichen, müssen die gesamten optischen Verluste von Interferometer und Detektion unter 10 % sein, was Photodioden mit einer Quanteneffizienz von 99 % notwendig macht. Der neuartige Ansatz, optisch-parametrische Ab-Konversion mit der Erzeugung von gequetschten Zuständen zu kombinieren, wird als Kandidat für GWOs der nächsten Generation in Betracht gezogen, wie etwa LIGO Voyager und dem Niederfrequenz-Teil des Einstein-Teleskops.
Since the first detection of gravitational waves in 2015, the field has been developing to gravitational-wave astronomy with multi-messenger detections and event statistics. Noise sources need to be reduced further to increase the detection range and to get more information about the detected events. In current observatories, coating Brownian noise is the dominant noise source around 100 Hz. To avoid this thermal noise source, the test masses in future gravitational-wave observatories (GWOs) should be cooled to cryogenic temperatures. The mechanical properties of the currently used fused silica worsen at lower temperatures, and therefore the use of crystalline silicon as test mass material is considered, together with amorphous silicon-based coatings. However, this requires a change of the laser wavelength from 1064 nm to around 2 µm. Then, the only remaining noise source in the mid-range and at higher frequencies is quantum noise. Therefore, all technologies for the new wavelength are investigated at a high priority. This thesis demonstrates a squeezed light source at 1064 nm via wavelength-doubling, where a Nd:YAG nonplanar ring oscillator (NPRO) laser at 1064 nm is used to provide ultra-stable laser light for interferometry. An external conversion efficiency of (87.1±0.4)% (internal 93%) could be achieved at a pump power of 52 mW. Adapting the conversion scheme to higher laser power might avoid the need of 2 µm laser amplifiers. The NPRO lasers were highly optimized over decades to reach the technological requirements of power stability, amplitude and phase noise. Available lasers around 2 µm do not yet reach the required performance level, but are currently under research. Using squeezed light, the uncertainty of the light field is reduced to (7.2±0.2)dB below shot noise, mainly limited by the quantum efficiency of (92±3)dB of available photodiodes. As part of the technology development two digital control systems were developed which are used for stabilization of cavities (NQontrol) and crystal temperatures (Raspitemp). NQontrol is an open source digital control system that can control eight channels simultaneously, providing complex loop shaping abilities and high flexibility to adapt the system for different needs. Raspitemp is a modular digital temperature control system which can control up to 20 temperatures combined with a high accuracy of <10 mK. To reach the aimed squeezing level of 10 dB for the next-generation GWOs, the overall optical losses in the interferometer and the detection have to be below 10 %, requiring photodiodes with a quantum efficiency of 99 %. The novel approach of combining optical-parametric down-conversion with the creation of squeezed states is considered as a candidate for next-generation GWOs such as LIGO Voyager and the low-frequency part of the Einstein Telescope.