Towards the SQL interferometer - length stabilization at the AEI 10 m-prototype

Abstract

Neue Technologien zur Verbesserung der Empfindlichkeit von Gravitationswellendetektoren werden weltweit in Prototypenanlagen entwickelt und charakterisiert. Klassische Rauschquellen in den erdgebundenen interferometrischen Detektoren werden bald bis unterhalb der fundamentalen Quantenrauschgrenze unterdrückt werden. Diese entsteht bei niedrigen Frequenzen durch Quantenstrahlungsdruckrauschen und bei hohen Frequenzen durch Schrotrauschen. Diese beiden Quantenrauschquellen schneiden sich an einem Punkt auf dem Standardquantenlimit (SQL). Das SQL ist die Ortskurve, welche von den Schnittpunkten der beiden Rauschquellen für verschiedene Laserleistungen gebildet wird. Der AEI 10m-Prototyp wird ein Michelson Interferometer mit Fabry-Perot Resonatoren beherbergen um das SQL zu vermessen und einen Prüfstand zur Verfügung stellen um Technologien zu testen, welche es übertreffen können. Die Experimente des AEI 10m-Prototyp sind auf drei seismisch isolierten optischen Bänken installiert. Die Spiegel der Hauptexperimente sind einzeln an kaskadierten Aufhängungen aufgehängt, die über diese Bänke verteilt sind. Der Betrieb des Hauptinterferometers erfordert eine genaue Kontrolle der Spiegelpositionen. Diese Arbeit befasst sich mit der Längenstabilisierung am AEI 10m-Prototyp, getrennt in aktive seismische Vorisolierung und Ansteuerung der aufgehängten Resonatorspiegel. Die Differenzbewegung zwischen den seismisch isolierten optischen Bänken wird durch ein Suspension Platform Interferometers gemessen und liefert ein Steuersignal, das zur aktiven Stabilisierung genutzt werden kann. Im Rahmen dieser Arbeit wurde die Auslese-Empfindlichkeit des Suspension Platform Interferometers verbessert und die ursprünglich vorgesehene Stabilität übertroffen. Diese Stabilität wird durch ein Feedback-System auf die Experimente am AEI 10m-Prototyp übertragen. Es steuert die optischen Tische relativ zueinander und unterdrückt die Differenzbewegung um mehr als vier Größenordnungen bis 10 pm Hz^-1/2 bei 100 mHz. Die Bewegung der Aufhängepunkte der optischen Resonatoren wandelt Winkelverschiebungen in Änderungen die Resonatorlänge um. Diese Winkelfreiheitsgrade werden durch eine Reihe von optischen Hebeln gesteuert und die Entwicklung, Implementierung und Charakterisierung dieser Sensoren wird demonstriert. Zusammen mit dem Suspension Platform Interferometer wurde die restliche Bewegung der Aufhängepunkte eines optischen Resonators um bis zu drei Größenordnungen unterdrückt. Die aktive seismische Vorisolierung ist vollständig in Betrieb. Ein neues Konzept für einen elektrostatischen Aktuator (ESD) wird untersucht und die Funktionsweise der mehrstufige Spiegelaufhängung, der Aktuatoren sowie der ESD-Technik wird mit einem Vorversuch zur Nachahmung eines Arms des Sub-SQL-Interferometers charakterisiert. Es wurden zwei mehrstufige Spiegelaufhängungen aufgebaut, mit jeweils einer Testoptik ausgestattet. Sie wurden dann im AEI 10m-Prototypen installiert und bilden einen Fabry-Perot-Resonator mit einer Länge von 10,8 m, das so genannte Single Arm Test Experiment. Dieses demonstriert Schlüsseltechnologien und ermöglicht zusätzlich eine schnelle Inbetriebnahme des Sub-SQL-Interferometers durch das installierte Detektionsverfahren und den neu aufgebauten Eingangspfad.

New technologies to improve the sensitivity of gravitational wave detectors are developed and characterized in prototype facilities across the world. Classical noise sources in the groundbased interferometric detectors will soon be suppressed below the fundamental quantum noise limit which arises from quantum radiation pressure noise at low frequencies and shot noise at high frequencies. The two quantum noise sources intersect at a point on the Standard Quantum Limit (SQL). The SQL is a locus formed from the intersection points of the noise sources for different laser powers. The AEI 10m-Prototype facility will house a Michelson Interferometer with Fabry-Perot cavities to probe the SQL and provide a test bed for technologies to eventually surpass it. The experiments of the AEI 10m-Prototype are installed on three seismically isolated optical benches. The mirrors of the main experiments are individually suspended by cascaded suspension chains, distributed across these benches. The operation of the main interferometer requires a precise control of the mirror positions. This thesis addresses the length stabilization at the AEI 10m-Prototype, separated into active seismic pre-isolation and actuation to the suspended cavity mirrors. Differential motion between the seismically isolated optical benches is measured by a Suspension Platform Interferometer and provides a control signal that can be used for its active stabilization. In the scope of this thesis, the readout sensitivity of the Suspension Platform Interferometer was improved and the originally intended noise floor was surpassed. The stability is transfered to the experiments at the AEI 10m-Prototype by a feedback system. It controls the optical tables relative to each other and suppresses the differential motion by more than four orders of magnitude to 10 pm Hz^1/2 at 100 mHz. The suspension point motion of the cavities converts angular displacement to the cavity length. These angular degrees of freedom are controlled by a set of optical levers, and the development, implementation and characterization of these sensors is demonstrated. Together with the Suspension Platform Interferometer, the residual suspension point motion of a cavity was suppressed by up to three orders of magnitude. The active seismic pre-isolation is fully commissioned and operating. A new concept for an Electro Static Drive (ESD) is investigated and the performance of the suspension chain, the actuators as well as the ESD technique is characterized using a preliminary experiment set up to mimic one arm of the sub-SQL interferometer. Two suspensions chains were built, equipped with pilot optics and installed in the AEI 10m-Prototype system forming a Fabry-Perot cavity of length 10.8 m. The so-called Single Arm Test experiment proves key technologies and additionally the installed detection chain and the input path will allow for a fast commissioning of the sub-SQL interferometer.