B03 - Optische Design-Methoden für rauscharme Interferometrie

Im Rahmen dieses Projekts arbeiten wir an vier Aspekten: der Wellenfrontcharakterisierung, der Auswirkung der Wellenfronteigenschaften auf interferometrische Auslesesignale, dem Vergleich verschiedener Optionen zur Definition solcher Auslesesignale und schließlich werden wir an der Anbindung an einen Satellitendynamik-Simulator arbeiten. All diese verschiedenen Aspekte werden unser Verständnis von Präzisionsinterferometern voranbringen, was es in Zukunft ermöglichen wird, noch präzisere Instrumente zu bauen und mit hoher Genauigkeit Simulationen mit experimentelle Daten in Einklang zu bringen. 

Teilprojekt 1: Strahlcharakterisierung Hierfür stehen derzeit einige Arten von Sensoren und Methoden zur Verfügung, wie z.B. Shack-Hartmann-Sensoren oder Strahlprofiler, die jedoch beide nicht vollständig für die hohe Auflösung ausreichen, die heute z.B. in Prototyp-Aufbauten für zukünftige Weltraumanwendungen benötigt wird. Wir werden daher einen Wellenfrontsensor entwickeln und einen hauseigenen Beam-Fit-Algorithmus erweitern und die Leistung der Wellenfrontcharakterisierung mit anderen typischen Methoden vergleichen. Wir werden unsere Sensoren und Methoden an Versuchsaufbauten anderer Projekte innerhalb von TerraQ testen.

Teilprojekt 2: Wie beeinflussen die Wellenfronteigenschaften die Interferometrie Aus Teilprojekt 1 werden wir detaillierte Kenntnisse über die Wellenfronteigenschaften gewinnen. Zum Beispiel können wir dann beschreiben, wie hoch der Gehalt von höherer Modenordnung eines Laborlaserstrahls ist. Aber wie wirkt sich dieser Modengehalt auf die Interferometrie aus? Dies ist die Schlüsselfrage, die wir in diesem Teilprojekt untersuchen werden.

Teilprojekt 3: Leistung verschiedener Signaldefinitionen Interferometrische Auslesesignale können in der Tat auf unterschiedliche Weise definiert werden, und obwohl diese Unterschiede eher gering sind, können sie sich auf die resultierenden Rauschpegel im Interferometer auswirken. Es ist derzeit nicht bekannt, in welchen Fällen welche Signaldefinition für welche Fälle optimal ist. Wir werden daher mehrere typische Definitionen testen und ihre Leistung für Standard-Testszenarien vergleichen.

Teilprojekt 4: Kopplung mit einem Satellitendynamik-Simulator Wir arbeiten mit der Software-Bibliothek IfoCAD und werden diese für die Teilprojekte 2 und 3 dieses Projekts verwenden. IfoCAD ist eine C++ Softwarebibliothek speziell entwickelt für das Design und die Optimierung von Laserinterferometern. IfoCAD wird von uns am Institut für Gravitationsphysik (IGP) seit 2009 entwickelt und bietet Methoden zur Strahlverfolgung und Wellenfrontausbreitung in typischen dreidimensionalen Topologien und berechnet Auslesesignale von Interferometern. Zum anderen haben unsere Projektpartner aus B02 den eXtended High Performance Satellite Dynamics Simulator (XHPS) entwickelt. XHPS wird zur Modellierung von GRACE-FO und seiner Umlaufbahnen sowie zukünftiger Missionslayouts eingesetzt werden. Wir werden nun zum ersten Mal unsere hauseigene Software IfoCAD mit XHPS verknüpfen und so die optischen Simulationen mit den orbitalen Simulationen einer Mission zusammenführen. Die direkte Verbindung dieser beiden Simulatoren ist daher ein natürlicher Schritt, um weltraumgestützte Gravitationsmissionen mit Interferometrie zwischen Satelliten wie GRACE-FO und Nachfolgemissionen zu simulieren.