«Помимо улучшения современных детекторов гравитационных волн, эти новые зеркала также будут полезны для повышения чувствительности детекторов следующего поколения и позволят обнаруживать новые источники гравитационных волн», – сказал руководитель исследовательской группы Хуй Туонг Цао из Университета Аделаиды. Австралийский центр передового опыта по открытию гравитационных волн (OzGrav).
Деформируемые зеркала, которые используются для формирования и управления лазерным светом, имеют поверхность, состоящую из крошечных зеркал, каждое из которых можно перемещать или приводить в действие для изменения общей формы зеркала. Как подробно описано в журнале Applied Optics The Optical Society (OSA), Цао и его коллеги впервые создали деформируемое зеркало на основе биметаллического эффекта, в котором изменение температуры используется для достижения механического смещения.
«Наше новое зеркало обеспечивает большой диапазон срабатывания с большой точностью», – сказал Цао. «Простота конструкции означает, что можно превратить имеющуюся в продаже оптику в деформируемое зеркало без какого-либо сложного или дорогостоящего оборудования. Это делает его полезным для любой системы, где критически важен точный контроль формы луча."
Новая технология была разработана Цао и Эйданом Брукс из LIGO в рамках программы для посетителей между Университетом Аделаиды и лабораторией LIGO, финансируемой Австралийским исследовательским советом и Национальным научным фондом.
Создание лучшего зеркала
Наземные детекторы гравитационных волн используют лазерный свет, перемещающийся вперед и назад по двум плечам интерферометра, чтобы контролировать расстояние между зеркалами на концах каждого плеча. Гравитационные волны вызывают небольшое, но заметное изменение расстояния между зеркалами.
Обнаружение этого крошечного изменения требует чрезвычайно точного управления и формы лазерного луча, что достигается с помощью деформируемого зеркала.
«Мы приближаемся к точке, где точность, необходимая для повышения чувствительности детекторов гравитационных волн, превышает то, что может быть достигнуто с помощью технологий изготовления, используемых для изготовления деформируемых зеркал», – сказал Цао.
В большинстве деформируемых зеркал используются тонкие зеркала, чтобы вызвать большое количество срабатывания, но эти тонкие зеркала могут вызывать нежелательное рассеяние, потому что их трудно полировать. Исследователи разработали новый тип деформируемого зеркала с использованием биметаллического эффекта, прикрепив кусок металла к стеклянному зеркалу.
Когда оба нагреваются вместе, металл расширяется больше, чем стекло, из-за чего зеркало изгибается.
Новый дизайн не только обеспечивает высокую точность срабатывания, но также компактен и требует минимальных изменений существующих систем.
Как зеркала из плавленого кварца, так и алюминиевые пластины, используемые для создания деформируемого зеркала, имеются в продаже. Чтобы прикрепить два слоя, исследователи тщательно выбрали склеивающий клей, который обеспечит максимальное срабатывание.
«Важно отметить, что в новой конструкции меньше оптических поверхностей, через которые проходит лазерный луч, – сказал Цао. "Это снижает потери света, вызванные рассеянием или поглощением покрытий."
Характеристика точности
Создание высокоточного зеркала требует точных методов определения характеристик.
Исследователи разработали и построили высокочувствительный датчик фронта волны Гартмана, чтобы измерить, как деформации зеркала меняют форму лазерного света.
«Этот датчик имел решающее значение для нашего эксперимента и также используется в гравитационных детекторах для измерения мельчайших изменений в основной оптике интерферометра», – сказал Цао. «Мы использовали его для определения характеристик наших зеркал и обнаружили, что зеркала очень стабильны и имеют очень линейный отклик на изменения температуры."
Испытания также показали, что клей является основным ограничивающим фактором диапазона срабатывания зеркал. В настоящее время исследователи работают над преодолением ограничений, вызванных клеем, и проведут дополнительные тесты для проверки совместимости, прежде чем включать зеркала в Advanced LIGO.