Il y a un an, la première détection directe d'ondes gravitationnelles a été annoncée. Des experts laser du Max Planck Institute for Gravitational Physics (Albert Einstein Institute; AEI), de la Leibniz Universität Hannover, et du Laser Zentrum Hannover e.V. (LZH) a joué un rôle de premier plan dans cette découverte, car leur technologie laser ultra-précise au cœur des instruments LIGO aux USA a permis la détection de faibles signaux d'ondes gravitationnelles. Maintenant, Les chercheurs de l'AEI ont présenté deux nouvelles technologies capables d'augmenter encore la sensibilité des futurs détecteurs d'ondes gravitationnelles. La Max Planck Society renforce désormais le développement de systèmes laser pour les détecteurs d'ondes gravitationnelles de troisième génération. L'AIE, en collaboration avec le LZH, reçoit au cours des cinq prochaines années un financement de recherche de 3,75 millions d'euros pour le développement de nouveaux lasers Le Zentrum Hannover reçoit au cours des cinq prochaines années un financement de recherche de 3,75 millions d'euros pour le développement de nouveaux lasers et méthodes de stabilisation.

"Nous avons fait deux avancées importantes, " dit l'Apl. Prof. Benno Willke, chef du groupe de développement laser à l'AEI. "Notre travail est une autre étape vers l'utilisation d'un nouveau type de profil de faisceau laser dans les détecteurs d'ondes gravitationnelles interférométriques. De plus, nous avons montré comment augmenter la stabilité de puissance des lasers de haute puissance utilisés dans les détecteurs. Ce sont des étapes importantes vers l'avenir de l'astronomie des ondes gravitationnelles. » Les résultats ont été publiés dans la célèbre revue scientifique Lettres d'optique et ont été soulignés par les éditeurs.

Faisceaux laser plus homogènes

Les faisceaux de tous les systèmes laser actuellement utilisés dans les détecteurs d'ondes gravitationnelles ont une intensité plus élevée au centre qu'aux bords. Cela conduit à une forte influence indésirable des fluctuations de la surface du miroir sur la précision de mesure des détecteurs d'ondes gravitationnelles. Ce bruit dit thermique peut être réduit par une distribution d'intensité laser plus homogène.

En 2013, une équipe avec la participation d'AEI a montré comment des faisceaux laser de haute puissance plus homogènes dans le LG 33 mode peut être créé. Maintenant, Andreas Noack a étudié dans sa thèse de maîtrise dans l'équipe de Benno Willke comment ces faisceaux laser peuvent être introduits dans les futurs détecteurs d'ondes gravitationnelles.

La première étape sur le chemin du détecteur est un appareil connu sous le nom de nettoyeur de pré-mode, ce qui optimise le profil du faisceau et réduit la gigue du faisceau. L'équipe de Willke a montré que le nouveau LG 33 beam est incompatible avec les nettoyeurs pré-mode actuellement utilisés. Les chercheurs ont également montré comment résoudre ce problème. Ils ont développé un nouveau nettoyeur de pré-mode, qui est compatible avec le LG 33 rayons lasers.

"La conception des détecteurs d'ondes gravitationnelles de nouvelle génération n'est pas définie, " dit Willke. " Par conséquent, nous testons différents types de lasers pour avoir autant d'options que possible pour les nouveaux détecteurs d'ondes gravitationnelles. Nous avons maintenant fait un grand pas en avant avec le prometteur LG 33 poutres."

Amélioration de la stabilité de la puissance laser pour les nouveaux détecteurs d'ondes gravitationnelles

Tous les détecteurs interférométriques d'ondes gravitationnelles comme LIGO, Vierge, et GEO600 s'appuient sur des systèmes laser qui maintiennent leur puissance de sortie élevée stable au fil des années et qui présentent très peu de fluctuations de puissance à court terme. Le groupe de recherche de Benno Willke joue un rôle de leader mondial dans ce domaine de recherche. Ils ont construit les systèmes laser pour GEO600 et Advanced LIGO, sans laquelle la première détection directe d'ondes gravitationnelles en septembre 2015 n'aurait pas été possible.

Maintenant, Jonas Junker a encore affiné le système de stabilisation de puissance existant dans sa thèse de maîtrise dans l'équipe de Willke. Une partie de la lumière laser est captée et distribuée sur plusieurs photodétecteurs pour déterminer avec précision la puissance laser totale. S'il varie, la puissance laser principale est corrigée en conséquence. Dans leur expérience, les scientifiques ont étendu le système actuel en ajoutant, entre autres, un autre photodétecteur pour contrôler et corriger également le pointage du faisceau laser.

Le schéma amélioré de stabilisation de puissance a été appliqué avec succès au système laser de 35 watts du prototype d'interféromètre de 10 mètres de l'AEI. Le prototype est utilisé par des chercheurs de Hanovre pour des démonstrations et des tests de technologies pour la troisième génération de détecteurs et pour des recherches sur les effets de la mécanique quantique dans ces instruments. Le niveau de stabilité de puissance atteint est cinq fois supérieur à celui d'expériences comparables d'autres groupes. Cette valeur concorde très bien avec les résultats d'expériences isolées sur table.

"Une expérience dans l'environnement bien isolé d'un laboratoire d'optique est complètement différente d'une expérience complexe à grande échelle comme le prototype de 10 mètres. Nous avons montré pour la première fois qu'il est possible de transférer l'excellent niveau de stabilité d'une table expérience, " dit Willke. " Nous montrons que ces matrices de photodiodes fonctionnent comme prévu, ce qui signifie qu'il devrait également être possible d'atteindre cette stabilité élevée avec les matrices de multi-photodétecteurs identiques utilisées dans Advanced LIGO."