Onderzoekers hebben een nieuw type vervormbare spiegel ontwikkeld die de gevoeligheid van zwaartekrachtgolfdetectoren op de grond zou kunnen verhogen, zoals de Advanced Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO). Geavanceerde LIGO meet zwakke rimpelingen in de ruimtetijd die zwaartekrachtgolven worden genoemd. die worden veroorzaakt door verre gebeurtenissen zoals botsingen tussen zwarte gaten of neutronensterren.

"Naast het verbeteren van de huidige zwaartekrachtgolfdetectoren, deze nieuwe spiegels zullen ook nuttig zijn om de gevoeligheid van detectoren van de volgende generatie te verhogen en nieuwe bronnen van zwaartekrachtsgolven te detecteren, " zei onderzoeksteamleider Huy Tuong Cao van het knooppunt van de University of Adelaide van het Australian Centre of Excellence for Gravitational Waves Discovery (OzGrav).

Vervormbare spiegels, die worden gebruikt om laserlicht te vormen en te controleren, hebben een oppervlak gemaakt van kleine spiegels die elk kunnen worden verplaatst, of geactiveerd, om de algemene vorm van de spiegel te veranderen. Zoals beschreven in het tijdschrift The Optical Society (OSA) Toegepaste optica , Cao en collega's hebben, Voor de eerste keer, maakte een vervormbare spiegel op basis van het bimetaal effect waarbij een temperatuurverandering wordt gebruikt om mechanische verplaatsing te bereiken.

"Onze nieuwe spiegel biedt een groot bedieningsbereik met grote precisie, " zei Cao. "De eenvoud van het ontwerp betekent dat het commercieel beschikbare optica kan veranderen in een vervormbare spiegel zonder ingewikkelde of dure apparatuur. Dit maakt het bruikbaar voor elk systeem waar nauwkeurige controle van de straalvorm cruciaal is."

De nieuwe technologie is bedacht door Cao en Aidan Brooks van LIGO als onderdeel van een bezoekersprogramma tussen de Universiteit van Adelaide en LIGO Laboratory, gefinancierd door de Australian Research Council en de National Science Foundation.

Een betere spiegel bouwen

Op de grond gebaseerde zwaartekrachtgolfdetectoren gebruiken laserlicht dat heen en weer gaat langs de twee armen van een interferometer om de afstand tussen spiegels aan het uiteinde van elke arm te bewaken. Zwaartekrachtgolven veroorzaken een kleine maar waarneembare variatie in de afstand tussen de spiegels.

Het detecteren van deze kleine verandering vereist een uiterst nauwkeurige laserstraalbesturing en -vormgeving, wat wordt bereikt met een vervormbare spiegel.

"We bereiken een punt waarop de precisie die nodig is om de gevoeligheid van zwaartekrachtgolfdetectoren te verbeteren, groter is dan wat kan worden bereikt met de fabricagetechnieken die worden gebruikt om vervormbare spiegels te maken, ' zei Cao.

De meeste vervormbare spiegels gebruiken dunne spiegels om een ​​grote hoeveelheid bediening te induceren, maar deze dunne spiegels kunnen ongewenste verstrooiing veroorzaken omdat ze moeilijk te polijsten zijn. De onderzoekers ontwierpen een nieuw type vervormbare spiegel met behulp van het bimetaaleffect door een stuk metaal aan een glazen spiegel te bevestigen. Wanneer de twee samen worden verwarmd, zet het metaal meer uit dan het glas, waardoor de spiegel verbuigt.

Het nieuwe ontwerp zorgt niet alleen voor een grote hoeveelheid nauwkeurige bediening, maar is ook compact en vereist minimale aanpassingen aan bestaande systemen. Zowel de spiegels van gesmolten silica als de aluminiumplaten die worden gebruikt om de vervormbare spiegel te maken, zijn in de handel verkrijgbaar. Om de twee lagen te bevestigen, de onderzoekers selecteerden zorgvuldig een hechtmiddel dat de activering zou maximaliseren.

"Belangrijk, het nieuwe ontwerp heeft minder optische oppervlakken waar de laserstraal doorheen kan reizen, zei Cao. "Dit vermindert lichtverlies veroorzaakt door verstrooiing of absorptie van coatings."

Precisie karakterisering

Het creëren van een zeer nauwkeurige spiegel vereist nauwkeurige karakteriseringstechnieken. De onderzoekers ontwikkelden en bouwden een zeer gevoelige Hartmann-golffrontsensor om te meten hoe de vervormingen van de spiegel de vorm van laserlicht veranderden.

"Deze sensor was cruciaal voor ons experiment en wordt ook gebruikt in zwaartekrachtdetectoren om minieme veranderingen in de kernoptiek van de interferometer te meten, " zei Cao. "We gebruikten het om de prestaties van onze spiegels te karakteriseren en ontdekten dat de spiegels zeer stabiel waren en een zeer lineaire reactie op temperatuurveranderingen hebben."

Uit de tests bleek ook dat de lijm de belangrijkste beperkende factor is voor het bedieningsbereik van de spiegels. De onderzoekers werken momenteel aan het overwinnen van de beperking die door de lijm wordt veroorzaakt en zullen meer tests uitvoeren om de compatibiliteit te verifiëren voordat de spiegels in Advanced LIGO worden opgenomen.