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澳大利亚研发新型反射镜,有望提高重力波探测器的灵敏度


  来源: 传感器专家网 时间:2020-03-23 编辑:清风
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研究人员开发出一种新型的可变形反射镜,可以提高地面重力波探测器的灵敏度,例如先进的激光干涉仪重力波天文台(LIGO)。先进的LIGO可以测量由引力波引起的时空微弱的波动,这种波动是由诸如黑洞或中子星碰撞之类的遥远事件引起的。

    

图片来源:阿德莱德大学的Huy Tuong Cao

该图显示了热双压电晶片镜的横截面及其组成部分。控制反射镜的温度会改变反射波阵面的曲率。模拟的径向应力覆盖在横截面上,径向应力显示应力集中在两层的边界处,其中粘合剂将结构固定在一起。

这项新技术是由澳大利亚研究委员会和国家科学基金会资助的阿德莱德大学和LIGO实验室之间的访客计划的一部分,由LIGO的Cao和Aidan Brooks提出的。研究人员首次基于双金属效应制作了可变形反射镜,其中使用温度变化来实现机械位移。用于成形和控制激光的可变形反射镜的表面由微小的反射镜组成,每个反射镜均可移动或驱动,以改变反射镜的整体形状。

来自澳大利亚重力波发现卓越中心(OzGrav)阿德莱德节点大学(universityofadelaidenode)的研究团队负责人曹慧彤(huytoungcao)说:“除了改进当今的重力波探测器外,这些新型反射镜还将有助于提高下一代探测器的灵敏度,并允许探测新的重力波源。我们的新反光镜可提供很大的致动范围,且精度很高。设计的简单性意味着它可以将市售的光学器件变成可变形的反射镜,而无需任何复杂或昂贵的设备。这使得它对于精确控制光束形状至关重要的任何系统都非常有用。”

建立更好的镜子

地面重力波探测器使用激光在干涉仪的两个臂之间来回移动,以监视每个臂末端的反射镜之间的距离。引力波会导致反射镜之间的距离发生轻微但可检测的变化。要检测到这种微小变化,就需要极其精确的激光束控制和整形,这是通过可变形镜实现的。

曹说:“我们已经达到了提高重力波探测器灵敏度所需的精度,这超出了用于制造可变形反射镜的制造技术所能达到的精度。重要的是,新设计的激光束通过的光学表面更少。这减少了由涂层的散射或吸收引起的光损失。”

大多数可变形镜使用薄镜引起大量的驱动,但是这些薄镜会产生不希望的散射,因为它们很难抛光。研究人员通过将一块金属附着在玻璃镜上,利用双金属效应设计了一种新型的可变形镜。当两者一起加热时,金属会比玻璃膨胀得更多,从而导致镜子弯曲。

新设计不仅可以产生大量的精确致动,而且结构紧凑,并且只需对现有系统进行最少的改动即可。用于制造可变形镜的熔融石英镜和铝板均可商购。为了连接这两层,研究人员精心选择了一种粘合剂,可以最大程度地提高驱动力。

精密表征

创建高精度镜面需要精密的表征技术。研究人员开发并建造了高度灵敏的Hartmann波前传感器,以测量反射镜的变形如何改变激光的形状。

曹说:“该传感器对我们的实验至关重要,还用于重力探测器中,以测量干涉仪核心光学器件的微小变化。我们用它来表征反射镜的性能,发现反射镜非常稳定,并且对温度变化具有非常线性的响应。”

测试还表明,粘合剂是反光镜驱动范围的主要限制因素。研究人员目前正在努力克服由胶粘剂引起的局限性,并将在将反光镜集成到高级LIGO中之前进行更多测试,以验证兼容性。


关键词:反射镜 重力波探测器 传感器    浏览量:671

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