Laser development and stabilization for the spaceborne interferometric gravitational wave detector LISA [Elektronische Ressource] / von Michael Tröbs

Michael Troebs

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• Publié par: gottfried_wilhelm_leibniz_universitat_hannover
• Publié le: 01 janvier 2005
• Nombre de lectures: 27
• Langue: Deutsch
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Extrait

Laser development and stabilization for the spaceborne
interferometric gravitational wave detector LISA
Vom Fachbereich Physik der Universit¨at Hannover
zur Erlangung des Grades
Doktor der Naturwissenschaften
– Dr. rer. nat. –
genehmigte Dissertation
von
Dipl.-Phys. Michael Tr¨obs, M. Phil.
geboren am 01.03.1976 in Hannover
2005Referent: Prof. Dr. Karsten Danzmann, Universit¨at Hannover
Korreferent: PD. Dr. Holger Lubatschowski, Universitat¨ Hannover
Tag der Promotion: 09.02.2005Kurzzusammenfassung
Michael Tr¨obs
Laserentwicklung und Stabilisierung fur¨ den weltraumgestutzt¨ en
interferometrischen Gravitationswellendetektor LISA
Der weltraumgestut¨ zte, interferometrische Gravitationswellendetektor LISA (Laser Interfero-
meter Space Antenna) soll als Erg¨anzung zu erdgebundenen Detektoren, die im Frequenz-
bereich oberhalb von 10 Hz arbeiten, Gravitationswellen mit Frequenzen von 0.1 mHz bis
1 Hz detektieren. Dazu ben¨otigt LISA in diesem Frequenzbereich extrem rauscharme, einfre-
quente Laser mit 1 W polarisierter Ausgangsleistung im transversalen Grundmode. Derartige
LaserundMessger¨atezurRauschcharakterisierungstandennichtzurVerfugu¨ ngunddieEigen-
schaften geeigneter Laserkandidaten im LISA Frequenzbereich waren unzureichend bekannt.
DeshalbwurdenspektraleRauschdichtenausdigitalisiertenZeitserienberechnetundeswurde
ein neuartiger Algorithmus entwickelt, der besonders gut fur¨ große Datenmengen und die Be-
nutzung einer logarithmischen Frequenzachse geeignet ist, wie hier erforderlich war.
Zwei Laserkonzepte sind fur¨ LISA geeignet: ein einstufiger Oszillator hoher Leistung oder
ein leistungschw¨acherer Oszillator, der mit einem Faserverst¨arker nachverst¨arkt wird. Ein
leistungsschwacher Faserlaser wurde untersucht. Sein Potenzial fur¨ LISA konnte erstmals
gezeigt werden und weitere Untersuchungen zu Leistungsskalierbarkeit, daraus resultierende
Rauscheigenschaften und Frequenzaktuatorbandbreite wurden als notwendige weitere Schritte
identifiziert.
Die Rauscheigenschaften von diodengepumpten, nichtplanaren Ringresonatoren (NPROs),
die erfolgreich in erdgebundenen Graviationswellendetektoren eingesetzt werden, waren im
LISA Frequenzbereich nicht hinreichend bekannt und wurden untersucht. Erstmals wurden im
RahmendieserArbeiteinLaserdemonstratorbasierendaufeinemeinstufigen,leistungsstarken
NPRO entwickelt und ein Ytterbium-dotierter Faserverst¨arker, der von einem leistungsschwa-
chen NPRO geseedet wird, im LISA Frequenzbereich charakterisiert. Beide lieferten einfre-
quente,polarisierteStrahlungimtransversalenGrundmodeundzeigtenihreEignungfur¨ LISA.
InbeidenF¨allenwareineaktiveStabilisierungderLeistungerforderlich.DieAusgangsleis-
tungdeseinstufigenLaserdemonstratorswurdestabilisiertundmehrereRauschquellenwurden
erstmals untersucht und charakterisiert. Die wichtigsten waren die Temperaturabhangigk¨ eit
der Fotodiodeneffizienz, die Stabilit¨at der Referenz und die Temperaturabh¨angigkeit der Re-
flektivit¨at der Strahlteiler zur Leistungsdetektion. Erstmalig wurden die LISA Anforderungen
imgesamtenFrequenzbereicherfu¨llt.DiegemessenenrelativenLeistungsfluktuationensinddie
kleinsten bisher ver¨offentlichten Werte fu¨r diesen Frequenzbereich.
Auch die Frequenz des einstufigen Laserdemonstrators wurde stabilisiert. Sie wurde an die
Resonanzfrequenz eines optischen Resonators gekoppelt. Durch Vergleich mit einem anderen,
auf eine unabhangi¨ ge Referenz stabilisierten Laser, wurden die verbleibenden Frequenzfluk-
tuationen nach oben abgeschatzt.¨ Neben anderen Rauschquellen wurden die Abhangigk¨ eiten
der Referenzfrequenz von Umgebungstemperatur und Leistung im Referenzresonator charak-
terisiert. Die LISA Anforderungen wurden fur¨ Frequenzen oberhalb von 3 mHz erreicht, fu¨r
Frequenzen bis 1 mHz lag das Frequenzrauschen um bis zu einem Faktor 3 oberhalb der An-
forderungen.DiegemessenenFrequenzfluktuationengeh¨orenzudenkleinstenweltweitgemesse-
nen. Als limitierende Rauschquelle konnten Fehlersignaldrifts im Referenzsystem identifiziert
werden.
Schlagworte: LISA, Leistungsstabilisierung, Frequenzstabilisierung
iAbstract
Michael Tr¨obs
Laser development and stabilization for the spaceborne interferometric
gravitational wave detector LISA
The spaceborne, gravitational wave detector LISA (Laser Interferometer Space Antenna) will,
in addition to ground-based detectors that operate at frequencies above 50Hz, detect gravita-
tional waves with frequencies from 0.1mHz to 1Hz. For this purpose, LISA requires extremely
low-noise, single-frequency lasers emitting 1W of polarized output power in the fundamental
transverse mode. Such lasers and measurement equipment for noise characterization did not
exist and the properties of suitable laser candidates in the LISA frequency range were not
sufficiently known. Hence, spectral densities were calculated from digitized time series, and
a novel algorithm was developed that is especially well-suited for large amounts of data and
usage of a logarithmically scaled frequency axis, as was necessary in this work.
Twolaserconceptsarewell-suitedforLISA:asingle-stage,high-poweroscillator,orafiber
amplifier seeded by a low-power oscillator. A low-power fiber laser was investigated and its
potential for LISA could be shown for the first time. It could also be shown that further in-
vestigations regarding power scalability, the resulting noise properties, and frequency actuator
bandwidth are necessary.
The noise properties of nonplanar ring oscillators (NPROs) that are successfully used in
ground-based gravitational wave detectors, were not sufficiently known in the LISA frequency
range. They were investigated and, for the first time, a laser demonstrator based on a single-
stage high-power NPRO was developed, its frequency- and power-noise measured, and an
Ytterbium-doped fiber amplifier seeded by a low-power NPRO was characterized in the LISA
frequencyrange.Bothdeliveredsingle-frequencypolarizedradiationinfundamentaltransverse
mode and showed their suitability for LISA.
In both cases, an active power stabilization was necessary. The output power of the single-
stage laser demonstrator was stabilized, and a number of noise sources were for the first time
investigated and characterized. The most important were the stability of the reference and the
temperature dependency of both the photodiode efficiency and the beam splitter reflectivity.
For the first time, the LISA requirements were met in the complete frequency range. The
measuredrelativepowerfluctuationsarethesmallestpublishedvaluesforthisfrequencyrange.
The frequency of the single-stage laser demonstrator was stabilized. It was locked to a
resonance frequency of an optical resonator, and an upper limit for its residual frequency fluc-
tuations was found using beat measurements with a reference laser that was stabilized to an
independent optical resonator. Among other noise sources the dependency of reference fre-
quency on ambient air temperature and power in the reference cavity were characterized. The
LISA requirement was met for frequencies above 3mHz. For frequencies down to 1mHz, the
frequency fluctuations were above the requirements, up to a factor of 3. The measured fre-
quency fluctuations are among the smallest that have been measured, world-wide. As limiting
noise source, error signal drifts in the reference laser system could be identified.
Key words: LISA, power stabilization, frequency stabilization
iiContents
List of Abbreviations vii
List of Figures viii
List of Tables x
1. Introduction 1
2. Signal and noise characterization in the frequency domain 3
2.1. Existing methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
2.2. Improvedd . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.3. Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
3. Light sources for LISA 9
3.1. Requirements and possible laser designs. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
3.2. The first laser demonstrator for LISA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
3.2.1. Setup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
3.2.2. Output power and polarization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
3.2.3. Power and frequency actuators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
3.2.4. Power fluctuations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
3.2.5. Frequency fluctuations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
3.2.6. Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
3.3. Ytterbium-doped fiber amplifier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
3.3.1. Setup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
3.3.2. Power fluctuations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
3.3.3. Frequency fluctuations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
3.3.4. Power and frequency actuators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
3.3.5. Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
3.4. Low-power distributed-feedback fiber laser . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3.4.1. Setup, output power, and polarization . . . . . . . . . . . . . . . 35
3.4.2. Frequency stabilization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .