Præcisionsspejle er klar til at forbedre følsomheden af ​​gravitationsbølgedetektorer

Forskere har udviklet en ny type deformerbart spejl, der kan øge følsomheden af ​​jordbaserede gravitationsbølgedetektorer som Advanced Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO). Avanceret LIGO måler svage krusninger i rumtiden kaldet gravitationsbølger, som er forårsaget af fjerne begivenheder såsom kollisioner mellem sorte huller eller neutronstjerner.

"Ud over at forbedre nutidens gravitationsbølgedetektorer, disse nye spejle vil også være nyttige til at øge følsomheden i næste generations detektorer og tillade detektion af nye kilder til gravitationsbølger, "sagde leder af forskningsteamet Huy Tuong Cao fra University of Adelaide node i Australian Center of Excellence for Gravitational Waves Discovery (OzGrav).

Deformerbare spejle, som bruges til at forme og styre laserlys, have en overflade lavet af små spejle, der hver kan flyttes, eller aktiveret, at ændre spejlets overordnede form. Som beskrevet i The Optical Society's (OSA) tidsskrift Anvendt optik , Cao og kolleger har, for første gang, lavet et deformerbart spejl baseret på den bimetalliske effekt, hvor en temperaturændring bruges til at opnå mekanisk forskydning.

"Vores nye spejl giver et stort aktiveringsområde med stor præcision, "sagde Cao." Designets enkelhed betyder, at det kan gøre kommercielt tilgængelig optik til et deformerbart spejl uden kompliceret eller dyrt udstyr. Dette gør det nyttigt for ethvert system, hvor præcis styring af stråleform er afgørende. "

Den nye teknologi blev udtænkt af Cao og Aidan Brooks fra LIGO som en del af et besøgsprogram mellem University of Adelaide og LIGO Laboratory, finansieret af Australian Research Council og National Science Foundation.

Bygger et bedre spejl

Jordbaserede gravitationsbølgedetektorer bruger laserlys, der rejser frem og tilbage ned ad et interferometers to arme til at overvåge afstanden mellem spejle i hver arms ende. Gravitationsbølger forårsager en let, men påviselig variation i afstanden mellem spejlene.

Opdagelse af denne lille ændring kræver ekstrem præcis laserstrålestyring og -formning, som opnås med et deformerbart spejl.

"Vi når et punkt, hvor den præcision, der er nødvendig for at forbedre følsomheden af ​​gravitationsbølgedetektorer, ligger ud over, hvad der kan opnås med fremstillingsteknikkerne, der bruges til at lave deformerbare spejle, "sagde Cao.

De fleste deformerbare spejle bruger tynde spejle til at fremkalde stor mængde aktivering, men disse tynde spejle kan forårsage uønsket spredning, fordi de er svære at polere. Forskerne designede en ny type deformerbart spejl ved hjælp af den bimetalliske effekt ved at fastgøre et stykke metal til et glas spejl. Når de to opvarmes sammen, ekspanderer metallet mere end glasset, får spejlet til at bøje.

Det nye design skaber ikke kun en stor mængde præcis aktivering, men er også kompakt og kræver minimale ændringer af eksisterende systemer. Både de smeltede silica spejle og aluminiumsplader, der bruges til at skabe det deformerbare spejl, er kommercielt tilgængelige. For at vedhæfte de to lag, forskerne valgte omhyggeligt et klæbemiddel, der ville maksimere aktiveringen.

"Det er vigtigt, det nye design har færre optiske overflader, som laserstrålen kan bevæge sig igennem, sagde Cao. "Dette reducerer lystab forårsaget af spredning eller absorption af belægninger."

Præcisionskarakterisering

Oprettelse af et meget præcist spejl kræver præcisionskarakteriseringsteknikker. Forskerne udviklede og byggede en meget følsom Hartmann -bølgefrontsensor til at måle, hvordan spejlets deformationer ændrede laserlysets form.

"Denne sensor var afgørende for vores eksperiment og bruges også i gravitationsdetektorer til at måle små ændringer i kerneoptikken i interferometeret, "sagde Cao." Vi brugte det til at karakterisere vores spejles ydeevne og fandt ud af, at spejlene var meget stabile og havde en meget lineær reaktion på temperaturændringer. "

Testene viste også, at klæbemidlet er den vigtigste begrænsende faktor for spejlenes aktiveringsområde. Forskerne arbejder i øjeblikket på at overvinde begrænsningen forårsaget af klæbemidlet og vil udføre flere test for at verificere kompatibilitet, inden spejlet indarbejdes i Advanced LIGO.