Tunable Coherence for straylight suppression in gravitational wave detectors

Abstract

Laser interferometers are highly sensitive to length deviations, making them ideal for detecting gravitational waves. The kilometer-scale detectors used for this are reaching their incredible sensitivity by tackling many different noise sources. One such noise that is gaining more relevance with the increasing detector sensitivities; even beyond quantum mechanical limitations; is induced by straylight. Because it accumulates additional phase by traveling along unintended paths before reentering the readout, it introduces noise limiting the sensitivity, especially at frequencies below 30 Hz. In current detectors, scattered light mitigation is thus already a major effort; achieving even higher sensitivities with future detectors is inconceivable without new straylight mitigation techniques. In this thesis, Tunable Coherence is introduced as a possible new strategy against straylight noise. Further, by conveying white-light characteristics to continuous-wave lasers, it advances a nearly unexplored sub-discipline of laser interferometry. The underlying technique, pseudo-random-noise phase modulation, is actively used in ranging and digital interferometry. Employing it at GHz-frequencies on the main laser of a gravitational wave observatory is, however, an audacious proposal. Tunable coherence intentionally breaks and controls the coherence of a continuous-wave laser. This leads to coherence loss for unwanted light fields differing in propagation delay, which suppresses their interference. However, it also complicates aspects like resonant power build-up and adds tight constraints on optical layouts. It therefore needs to be demonstrated and verified meticulously that the detectors operation is not negatively impacted by tunable coherence. With this work, initial milestones of this process were achieved, as well as future challenges and opportunities identified. Experimental validation in a Michelson interferometer showed straylight suppression exceeding 40 dB while reducing the coherence length to a few centimeter. Compatibility of tunable coherence with optical cavities was then demonstrated with the artificial coherence length reduced down to the wavelength-scale. Optical layouts of gravitational wave detectors combine an interferometer with cavities used to reduce shot noise and increase sensitivity. Tunable coherence was demonstrated with such combinations by investigating a power-recycled Michelson interferometer. Here, general compatibility but also first limitations in its current implementation were observed. The obtained results demonstrate tunable coherence as a promising tool for straylight suppression in high precision interferometers. Thus prompting the provided initial study of a possible implementation in current or planned gravitational wave detectors for helping advance low-frequency sensitivity. As these advances enable earlier, longer and more numerous detections, they open new opportunities for e.g. multi-messenger astronomy.

Laser Interferometer sind aufgrund ihrer hohen Sensitivität gegenüber Längenänderungen ideal für die Detektion von Gravitationswellen geeignet. Um die hierfür benötigten besonders hohen Sensitivitäten zu erreichen, müssen die kilometerlangen Detektoren viele verschiedene Rauschquellen überkommen. Eine dieser Rauschquellen wird von Streulicht verursacht und gewinnt durch die immer besser werdenden Sensitivitäten; sogar über quantenmechanische Limitierungen hinaus; immer mehr Relevanz. Da Streulicht auf ungewollten Wegen durch den Detektor zusätzliche parasitäre Phaseninformation aufsammelt, bringt es Rauschen in die Auslesung ein, wenn es in diese gelangt. Dieses Rauschen ist insbesondere im Bereich der Messbandbreite unterhalb von 30 Hz limitierend. In aktuell betriebenen Detektoren ist Streulichtunterdrückung daher bereits eine enorme Herausforderung; das Erreichen der noch höheren Sensitivitäten in geplanten Detektoren ist ohne neue Konzepte hierfür undenkbar. Mit dieser Arbeit wird das Konzept Tunable Coherence als mögliche neue Strategie gegen Streulicht vorgestellt. Durch das Übertragen von Weißlichteigenschaften auf einen Dauerstrichlaser erweitert es außerdem ein nahezu unerforschtes Teilgebiet der Laserinterferometrie. Bisher wird das hierfür genutzte Prinzip, die Phasenmodulation des Lasers mit einer pseudo-zufälligen Sequenz, in Bereichen von Satellitenortung und digitaler Interferometrie eingesetzt. Der Vorschlag, es auch auf den Hauptlaser eines Gravitationswellenobservatoriums anzuwenden, ist hingegen eher gewagt. Mit Tunable Coherence wird die Kohärenz des Dauerstrichlasers gezielt gebrochen und die Kohärenzlänge präzise kontrolliert. Dies führt dazu, dass das Streulicht durch seine längeren optischen Wege nicht mehr kohärent mit dem Hauptlaser ist und daher nicht mehr mit der Auslesung interferieren kann. Es hat allerdings den Nachteil, dass der Betrieb eines optischen Aufbaus durch zusätzliche Einschränkungen für beabsichtigte Interferenzerscheinugen komplizierter wird. Deshalb muss der Einfluss, positiv und negativ, von Tunable Coherence auf einen Gravitationswellendetektor vor einem potenziellen Einbau gründlich geprüft werden. Als Teil dieser Arbeit wurden erste Meilensteine dieser Überprüfung erreicht und zukünftige Herausforderungen identifiziert. In experimentellen Demonstrationen konnte eine Streulichtunterdrückung von mehr als 40 dB in einem Michelson Interferometer gezeigt werden. In diesem Fall wurde die Kohärenzlänge auf wenige Zentimeter reduziert. Zusätzlich wurde gezeigt, dass Tunable Coherence auch mit optischen Resonatoren funktioniert. Hier wurde die künstlich eingeführte Kohärenzlänge auf wenige Wellenlängen reduziert. Da Gravitationswellendetektoren in ihrem optischen Aufbau aus einer Kombination eines Interferometers mit weiteren Resonatoren bestehen, wurde die Kompatibilität von Tunable Coherence in einem ähnlichen Aufbau demonstriert. Hierfür wurde ein Michelson Interferometer mit einem zusätzlichen Resonator zum Überhöhen der internen Lichtleistung genutzt. In diesem Aufbau konnte Tunable Coherence generell demonstriert werden aber es wurden erste Einschränkungen, verursacht durch die momentane Realisierung, beobachtet. Die gesammelten Ergebnisse zeigen, dass Tunable Coherence ein vielversprechendes Mittel für Streulichtreduktion in hochpräzisen Interferometern sein kann. Es wurde daher ein vorläufiges Konzept erarbeitet wie eine mögliche Realisierung in derzeitigen oder zukünftigen Gravitationswellendetektoren aussehen könnte um die Sensitivität dieser im niedrigfrequenten Bereich zu verbessern. Solche Verbesserungen würden viele neue Möglichkeiten für zum Beispiel Multi-Messenger Astronomie bringen, da sie mehr Detektionen und diese früher und für längere Zeitspannen ermöglichen würden.