Forschungsprojekte und -Initiativen
DS2CCP: Im Zentrum für Digitalisierungs- und Technologieforschung der Bundeswehr (DTEC) ist unser Team an der Realisierung einer ‚Digitalen Sensor-2-Cloud Campus-Plattform‘ beteiligt. Um Fertigungsprozesse in der Industrie effizienter und flexibler zu gestalten ist zukünftig eine drahtlose Vernetzung von Sensoren und Aktoren vorteilhaft. Die hohe räumliche Dichte dieser Sensoren, die hohen Anforderungen an Latenzzeiten und Zuverlässigkeit und eine gesicherte Flexibilität und Robustheit stellt nach wie vor eine große Herausforderung dar. Unser Team arbeitet an minimalistischen und energie-autarken interferometrischen Sensoren, die zur Längen- und Dehnungsmessung vielseitig eingesetzt werden können.
ET: Das Einstein-Teleskop (ET) ist ein Konzept für einen europäischen Gravitationswellendetektor der dritten Generation, der etwa zehnmal empfindlicher sein wird als die derzeitigen Instrumente. Er wird in der Lage sein, einen tausendmal größeren Bereich des Universums auf der Suche nach Gravitationswellen zu untersuchen und Quellen aufzuspüren, die für Instrumente der aktuellen Generation zu schwach sind. Unser Team trägt zur aktiven Rauschunterdrückung bei und entwickelt neue seismische Sensoren zur Bekämpfung des Newtonschen Rauschens, das gravitativ auf die aufgehängten Testmassen wirkt.
WAVE: Die WAVE-Initiative erforscht und gestaltet ein seismisches und geoakustisches Messnetz in und um die Science City Hamburg Bahrenfeld. WAVE ist eine einzigartige und innovative Infrastruktur für Geophysik, Physik und Großforschungseinrichtungen.
ALPS II: Die ‚Any Light Particle Search II‘ bei DESY ist ein ‚Licht-durch-die-Wand-Scheinen‘-Experiment zur Suche nach axion-ähnlichen Teilchen (ALPs), Kandidaten für einen Bestandteil der dunklen Materie im Universum. In starken Magnetfeldern wird Laserlicht in ALPs umgewandelt, die nach einer lichtundurchlässigen Wand wieder in Licht zurückverwandelt werden. Dies führt zu einem sehr schwachen Lichtsignal von nur einem Photon pro Tag, was eine große Herausforderung für den Detektor darstellt. Unser Team leistet einen Beitrag zur Charakterisierung und zum Interface-Design des supraleitenden Einzelphotonendetektors.
Forschungsthemen
Die Gruppe „Messtechnik“ arbeitet an der Weiterentwicklung hochpräziser Laserinterferometer zur Messung von Längenänderungen. Wir untersuchen Technologien für und aus dem Gebiet der Gravitationswellendetektion.
Gravitationswellendetektion
Viele der in der Arbeitsgruppe untersuchten Interferometertechniken beruhen auf Gravitationswellendetektor-Technologie für die Weltraummission LISA (Laser Interferometer Space Antenna). Diese zeichnet sich insbesondere durch ihre Picometer-Präzision im tieffrequenten Messband aus (< 1Hz) und eignet sich daher für Langzeitmessungen. Ein weiteres Feature ist der hohe dynamische Bereich, wodurch sie auch für Anwendungen interessant ist, wo sich die Position der zu charakterisierenden Testobjekte über mehrere Micrometer ändern. Dies erreicht man insbesondere durch die Verwendung von heterodyner Interferometrie oder heterodyn-artige Interferometerkonzepte, wie z.B. die Tiefe-Frequenzmodulationsinterferometrie.
Digital-unterstützte Heterodyninterferometrie
Bei digital-unterstützter Heterodyninterferometrie wird die Phase des Lichts mit einem Zeitstempel versehen (mittels Pseudo-Random-Noise Code). Dieser Zeitstempel erlaubt es Lichtstrahlen voneinander unterscheiden zu können, wenn diese einen Laufzeitunterschied aufweisen. Dadurch können mehrere Objekte mir nur einem Laserstrahl, nur einer Photodiode und nur einem Auslesekanal detektiert werden. Die Herausforderung liegt hierbei bei der Digitalisierung, wo wir die Signale wieder voneinander extrahieren müssen.
Verteile seismische Fasersensoren
Die „Metrology“-Gruppe arbeitet an der Entwicklung von verteilten seismischen Faser-Sensor-Techniken, die für eine Vielzahl von Anwendungen eingesetzt werden können. Wir untersuchen kommerzielle DAS-Systeme auf dem Forschungscampus Bahrenfeld, um Kopplungstests mit Bodenbewegungen durchzuführen, und wir untersuchen auch unsere eigenen verteilten Faser-Sensor-Techniken mit verbesserter Empfindlichkeit unter Verwendung von digital-unterstützter Interferometrie. Unsere Arbeit ist besonders wichtig für die Bewältigung des „Newton’schen-Rauschens“ im geplanten Gravitationswellendetektor Einstein-Teleskop sowie für die Entwicklung von Frühwarnsystemen für Erdbeben.
Interferometrische Simulationen
Um Signale in einem Laserinterferometer vorherzusagen, benutzen wir die c++ Software-Library IfoCAD. Dies hat sich insbesondere für LISA-Interferometer etabliert, da die Interferometer für Weltraummissionen quasi-monolithisch aus einem Stück Glas gefertigt werden, um den Raketenstart zu überleben und die wünschenswerte Langzeitstabilität erreichen. Diese können nach dem Bau nicht weiter einjustiert werden, weshalb es zwingend notwendig ist, das Layout vorher möglichst realistisch zu simulieren. Mittels IfoCAD können unter anderem Kontrast, Phasenmessungen, Wellenfrontmessungen und 3D-Modelle des Interferometers simuliert werden. Neben optischen Simulationen mit IfoCAD spielen auch mechanische 3D-Modelle eine wichtige Rolle, um beispielsweise thermisch-kompensierte Interferometer-Aufbauten zu erreichen. Insbesondere arbeiten wir an der Verknüpfung dieser beiden Simulationsansätze um zukünftig thermo-optische Effekte miteinbeziehen zu können.
Charakterisierung eines Einzelphotonendetektors
Das ALPS II Experiment am DESY sucht nach ultraleichter Dunkler Materie in Form von Axion-ähnlichen Teilchen (engl.: Axion-like Particles, ALPs). In der Anwesenheit sehr starker Magnetfelder werden die ALPs aus Licht im Labor erzeugt und hinter einer lichtundurchlässigen Barriere ebenso in Licht-Teilchen (Photonen) zurückkonvertiert. Sollte Dunkle Materie hierbei entstehen, kann diese die Barriere durchdringen und nur so ein Photon generieren. Mittels Einzelphotonendetektor sollen einzelnen Photonen detektiert werden. Wir arbeiten an der Charakterisierung des Detektors für die Signal-Wellenlänge 1064nm und optimieren die optischen Schnittstellen. Diese muss einerseits hoch-effizient für die Signal-Wellenlänge und andererseits extrem rauscharm sein, um nicht „Fake“-Photonen bei der gleichen Wellenlänge zu generieren, wie es z.B. durch Schwarzkörperstrahlung verursacht wird.
Wissenschaftliche Kollaborationen
- WAVE-Initiative (seismisches Netzwerk Hamburg)
- ET: Einstein Telescope (Gravitationswellendetektor der nächsten Generation, geplant in Europa)
- LSC/LVK: LIGO/Virgo/Kagra (aktuelle erdgebundene Gravitationswellendetektoren)
- ALPS: Any Light Particle Search (Dunkle Materie Experiment am DESY)
- LISA: Laser Interferometer Space Antenna (weltraum-basierte Gravitationswellendetektion)
Veröffentlichungen
Eine vollständige Publikationsliste ist unter Google Scholar zu finden. Im Folgenden ist ein Auszug ausgewählter Veröffentlichungen zu finden.
2023
2022
2021
Gerberding, O., & Isleif, K. S. (2021). Ghost Beam Suppression in Deep Frequency Modulation Interferometry for Compact On-Axis Optical Heads. Sensors, 21(5), 1708. 10.3390/s21051708
2020
Meshksar, N., Mehmet, M., Isleif, K. S., & Heinzel, G. (2020). Applying differential wave-front sensing and differential power sensing for simultaneous precise and wide-range test-mass rotation measurements. Sensors, 21(1), 164. 10.3390/s21010164
2019
Isleif, K. S., Heinzel, G., Mehmet, M., & Gerberding, O. (2019). Compact multifringe interferometry with subpicometer precision. Physical Review Applied, 12(3), 034025. 10.1103/PhysRevApplied.12.034025
2018
Isleif, K. S., Bischof, L., Ast, S., Penkert, D., Schwarze, T. S., Barranco, G. F., … & Heinzel, G. (2018). Towards the LISA backlink: experiment design for comparing optical phase reference distribution systems. Classical and Quantum Gravity, 35(8), 085009. 10.1088/1361-6382/aaa879/meta
2017
2016
Isleif, K. S., Gerberding, O., Schwarze, T. S., Mehmet, M., Heinzel, G., & Cervantes, F. G. (2016). Experimental demonstration of deep frequency modulation interferometry. Optics Express, 24(2), 1676-1684. 10.1364/OE.24.00167
2014
Isleif, K. S., Gerberding, O., Köhlenbeck, S., Sutton, A., Sheard, B., Goßler, S., … & Danzmann, K. (2014). Highspeed multiplexed heterodyne interferometry. Optics express, 22(20), 24689-24696. 10.1364/OE.22.024689
Letzte Änderung: 20. November 2023