Ein hochsymmetrisches Heterodyninterferometer zur Demonstration ...

2 Einleitung
In diesem Zusammenhang wurde in der vorliegenden Diplomarbeit ein mit polarisierter
Strahlung arbeitendes heterodynes Michelson-Interferometer aufgebaut. Bei
der Planung des Strahlengangs im Interferometer wurde auf eine hohe Symmetrie
geachtet. Vorausetzung dafür war, dass die Strahlen nicht nur die gleiche optische
Weglänge durchliefen, sondern darüber hinaus die Wegstrecken in den unterschiedlichen
Medien (Luft, Glas) ebenfalls gleiche Längen aufwiesen. Dazu wurden im Versuch
spezielle Strahlteiler zur Erzeugung der benötigten parallelen Strahlungspaare
verwendet. Das ermöglichte eine hohe Gleichtaktunterdrückung von Störungen, die
in beiden Armen auftreten. Die für eine heterodyne Messung benötigten Laserfrequenzen
wurden über zwei akusto-optische Modulatoren erzeugt. Die Benutzung
eines heterodynen Signals hat den Vorteil, dass das Mess-Signal als AC-Signal im
RF-Bereich auftritt. Das ermöglicht eine elektronische Signalverarbeitung. Werden
die Signale in Quadratur ausgelesen, ergibt sich eine eindeutige Aussage über die
Phasenverschiebung, da im Gegensatz zu einer Nicht-Quadraturauslesung“ keine
”
Beschränkung des dynamischen Bereichs (in der Translationsmessung) auf λ/2 gibt
(λ = Wellenlänge des Lichts).
Ziel der Diplomarbeit war neben dem Aufbau und der Inbetriebnahme des Interferometers,
die bekannten Rauschquellen, wie z. B. thermische und Intensitätsschwankungen
sowie Phasenverschiebungen in den Strahlen, und deren Rauscheigenschaften
im Frequenzbereich von 0.1 mHz bis 1 Hz zu charakterisieren. Um diese Rauschquellen
zu minimieren, wurde im Rahmen der Diplomarbeit eine Intensitätstabilisierung
und ein phase locked loop in den Veruchsaufbau implementiert. Dazu wurden unterschiedliche
Photodetektoren und Regler entwickelt. Die Rauscheigenschaften werden
in Hinblick auf die Anforderungen an eine optische Auslesung der Testmassenposition
untersucht, die durch das LISA-Gesamtkonzept (Kapitel 2) vorgegeben waren.
In Abbildung 1.1 ist die spektrale Leistungsdichte der Rauschmessung für den oben
angegebenen Frequenzbereich gezeigt. Der Versuchsaufbau weist für Frequenzen,
höher als 0.1 Hz, einen Rauschlevel im Bereich von 2-3 pm/ √ Hz auf. Für tiefere
Frequenzen nimmt das Rauschen mit einer 1/f-Abhängigkeit zu. Die festgestellten
Rauscheigenschaften können künftig Gegenstand weiterer Untersuchungen sein, wobei
es zu klären gilt, wodurch die Messung bei hohen Frequenzen limitiert ist und
welche Ursachen für das 1/f-Verhalten bei tieferen Frequenzen verantwortlich sind.