2128 nm Laser and Squeezed-Light Platform - Technologies for Future Gravitational-Wave Observatories

Abstract

Since the first detection of gravitational waves in 2015, the technology of gravitational-wave observatories (GWOs) has advanced significantly, enabling higher sensitivity and the observation of increasingly distant astrophysical sources. A major limitation remains the coating thermal noise of the test masses, which dominates the detector sensitivity around 100 Hz. Cooling the test masses to cryogenic temperatures can reduce this contribution; however, current optical coatings, optimized for room-temperature operation at 1064 nm, are not compatible with cryogenic conditions. This motivates the search for novel coating materials, such as amorphous silicon, as well as a shift toward longer operating wavelengths around 1550 nm or 2 μm. Operation in the 2 μm regime offers particularly promising performance but requires laser and quantum technologies that are less mature. For this reason, current designs for cryogenic GWOs predominantly focus on 1550 nm as a primary wavelength.

The aim of this thesis is to advance the maturity of 2 μm technology for future cryogenic GWOs by investigating three key technology platforms, with a particular focus on an operating wavelength of 2128 nm. First, a high‑power laser with 20 W of converted power and a conversion efficiency of 68 % was developed. Its technical noise was characterized, revealing that the utilized nonlinear process reduced relative intensity noise by up to 50 % compared to 1064 nm light. Second, low‑frequency quantum‑noise suppression using squeezed light was demonstrated, achieving up to 3.3 dB of quantum noise reduction at a measurement frequency of 15 kHz. For this purpose, an optical isolator was developed to suppress detrimental back‑reflections, and photodiodes for 2128 nm were characterized and optimized. Third, the coupling between higher‑order and fundamental spatial modes of squeezed light reflected from a resonator under imperfect mode-matching conditions was investigated. Two coupling regimes were identified: one in which the quantum properties were completely lost and transformed into a thermal‑like state, and another in which the additional loss from imperfect mode overlap could be significantly reduced by optimizing the relative phase between the fundamental and higher‑order modes.

This work demonstrates for the first time a low-noise high-power laser system, low-frequency shot-noise suppression using squeezed light, and the controlled coupling of squeezed-light modes in resonators under imperfect mode-matching conditions. Together, these results represent important steps toward the realization of mature 2 μm technologies and enhanced sensitivity in future gravitational-wave observatories.

Seit der ersten Messung von Gravitationswellen im Jahr 2015 haben sich die Technologien der Gravitationswellen-Observatorien (GWO) erheblich verbessert, was höhere Sensitivität und die Analyse weiter entfernter Quellen ermöglicht. Eine wesentliche Limitierung bleibt jedoch das thermische Beschichtungsrauschen der Testmassen, das im Frequenzbereich um 100 Hz dominiert. Das Kühlen der Testmassen bis auf kryogene Temperaturen würde dieses Limit signifikant reduzieren; dennoch sind aktuelle Beschichtungen, die für Zimmertemperatur und die Betriebswellenlänge von 1064 nm optimiert sind, nicht für diese Bedingungen geeignet. Daher werden neuartige Materialien wie amorphes Silizium in Kombination mit Betriebswellenlängen von 1550 nm oder im Bereich von 2 μm erforscht. Der Betrieb im 2-μm-Bereich erfordert jedoch ausgereifte Laser- und Quantentechnologien, die derzeit noch nicht verfügbar sind. Aus diesem Grund konzentrieren sich aktuelle Entwürfe für kryogene GWOs überwiegend auf 1550 nm als primäre Wellenlänge.

Ziel dieser Arbeit ist es, die Reife der 2-μm-Technologie für zukünftige kryogene GWOs voranzutreiben, indem drei zentrale Technologieplattformen untersucht werden, wobei der Schwerpunkt insbesondere auf einer Betriebswellenlänge von 2128 nm liegt. Erstens die Entwicklung eines Hochleistungslasers mit 20 W konvertierter Leistung bei einer Konversionseffizienz von 68 %. Zudem wurde das technische Rauschen dieses Lasers untersucht und gezeigt, dass der gewählte nichtlineare Prozess eine Unterdrückung des Relativintensitätsrauschens von bis zu 50 % im Vergleich zum 1064 nm-Licht ermöglichte. Zweitens wurde die Entwicklung einer Quantenrauschunterdrückung bei niedrigen Messfrequenzen unter Verwendung gequetschten Lichts demonstriert. Es wurde eine Rauschunterdrückung von bis zu 3,3 dB bei einer Messfrequenz von 15 kHz erreicht. Für diesen Prozess wurde auch ein optischer Isolator zur Vermeidung störender Rückreflexionen entwickelt sowie Photodioden charakterisiert und optimiert. Drittens wurde die Kopplung zwischen fundamentalen und höheren Moden des von einem Resonator mit unzureichender Modenanpassung reflektierten gequetschten Lichts untersucht. Zwei Koppelregime der Moden wurden dabei gefunden: Erstens der vollständige Verlust der Quanteneigenschaften mit einem Übergang in einen thermisch ähnlichen Zustand. Zweitens ließ sich der durch unzureichende Modenanpassung entstehende zusätzliche Verlust durch eine optimierte Phase zwischen der fundamentalen und höheren Moden deutlich verringern.

Diese Arbeit demonstriert zum ersten Mal einen rauscharmen Hochleistungslaser, die Unterdrückung des Schrotrauschens bei niedrigen Messfrequenzen sowie die Kopplung zwischen fundamentalen und höheren Moden gequetschten Lichts in Resonatoren mit unzureichender Modenanpassung. Zusammengefasst stellen diese Ergebnisse wichtige Schritte auf dem Weg zur Etablierung von Technologien im 2-μm-Bereich und damit zur Verbesserung der Empfindlichkeit künftiger gekühlter Gravitationswellenobservatorien dar.