Forskare har utvecklat en ny typ av deformerbar spegel som kan öka känsligheten hos markbaserade gravitationsvågdetektorer som Advanced Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO). Avancerat LIGO mäter svaga krusningar i rymden som kallas gravitationella vågor, som orsakas av avlägsna händelser som kollisioner mellan svarta hål eller neutronstjärnor.

"Förutom att förbättra dagens gravitationsvågdetektorer, dessa nya speglar kommer också att vara användbara för att öka känsligheten i nästa generations detektorer och möjliggöra detektering av nya källor till gravitationsvågor, "sade forskargruppens ledare Huy Tuong Cao från University of Adelaide -noden vid Australian Center of Excellence for Gravitational Waves Discovery (OzGrav).

Deformerbara speglar, som används för att forma och styra laserljus, har en yta gjord av små speglar som var och en kan flyttas, eller aktiverad, för att ändra spegelns övergripande form. Som beskrivs i The Optical Society's (OSA) tidskrift Tillämpad optik , Cao och kollegor har, för första gången, gjort en deformerbar spegel baserad på den bimetalliska effekten där en temperaturförändring används för att uppnå mekanisk förskjutning.

"Vår nya spegel ger ett stort manöverområde med stor precision, "sa Cao." Designens enkelhet innebär att den kan göra kommersiellt tillgänglig optik till en deformerbar spegel utan komplicerad eller dyr utrustning. Detta gör den användbar för alla system där exakt kontroll av strålformen är avgörande. "

Den nya tekniken tänktes av Cao och Aidan Brooks från LIGO som en del av ett besökarprogram mellan University of Adelaide och LIGO Laboratory, finansierat av Australian Research Council och National Science Foundation.

Att bygga en bättre spegel

Markbaserade gravitationella vågdetektorer använder laserljus som färdas fram och tillbaka ner på en interferometers två armar för att övervaka avståndet mellan speglar vid varje arms ände. Gravitationsvågor orsakar en liten men detekterbar variation i avståndet mellan speglarna.

Att upptäcka denna lilla förändring kräver extremt exakt laserstrålestyrning och -formning, som uppnås med en deformerbar spegel.

"Vi når en punkt där precisionen som behövs för att förbättra känsligheten hos gravitationsvågdetektorer är bortom vad som kan uppnås med tillverkningsteknikerna som används för att göra deformerbara speglar, "sa Cao.

De flesta deformerbara speglar använder tunna speglar för att framkalla stor mängd aktivering, men dessa tunna speglar kan ge oönskad spridning eftersom de är svåra att polera. Forskarna designade en ny typ av deformerbar spegel med den bimetalliska effekten genom att fästa en metallbit på en glasspegel. När de två värms ihop expanderar metallen mer än glaset, får spegeln att böja sig.

Den nya designen skapar inte bara en stor mängd exakt manövrering utan är också kompakt och kräver minimala ändringar av befintliga system. Både de sammansmälta kiseldioxidspeglarna och aluminiumplattorna som används för att skapa den deformerbara spegeln är kommersiellt tillgängliga. För att fästa de två lagren, forskarna valde noggrant ett bindemedel som skulle maximera aktiveringen.

"Viktigt, den nya designen har färre optiska ytor för laserstrålen att färdas genom, sa Cao. "Detta minskar ljusförlust orsakad av spridning eller absorption av beläggningar."

Precisionskarakterisering

Att skapa en mycket exakt spegel kräver tekniker för precisionskarakterisering. Forskarna utvecklade och byggde en mycket känslig Hartmann -vågsensor för att mäta hur spegelns deformationer förändrade laserljusets form.

"Denna sensor var avgörande för vårt experiment och används också i gravitationsdetektorer för att mäta små förändringar i interferometerns kärnoptik, "sa Cao." Vi använde det för att karakterisera prestandan för våra speglar och fann att speglarna var mycket stabila och har ett mycket linjärt svar på temperaturförändringar. "

Testerna visade också att limmet är den främsta begränsande faktorn för speglarnas manöverområde. Forskarna arbetar för närvarande med att övervinna begränsningen som orsakas av limmet och kommer att utföra fler tester för att verifiera kompatibilitet innan de införlivar speglarna i Advanced LIGO.