Optica

Ontwikkeling van grote Si-spiegels en coating voor toepassing bij 10-20 K

SPIEGEL breed.jpg

Een van de unieke kenmerken van de Einstein Telescope is het gebruik van cryogeen gekoelde spiegels om de detectiesnelheid voor lage zwaartekrachtgolffrequenties (onder 20 Hz) aanzienlijk te verbeteren door de thermische ruis in met name de spiegelcoatings en ophangingen te verminderen. Kristallijn silicium, een bekend materiaal uit de halfgeleiderindustrie, is hiervoor ideaal: naast zijn uitstekende mechanische kwaliteitsfactor vertoont silicium een verwaarloosbare thermische uitzettingscoëfficiënt bij temperaturen rond de 120 en onder de 20 K. En nog belangrijker, het materiaal wordt een uitstekende thermische geleider bij lage temperatuur. Thermische spiegeldeformaties zullen sterk worden verminderd in vergelijking met spiegels van gesmolten silica.

Ga naar de beschrijving van het R&D-vraagstuk

Ga naar de openstellingstekst

Betreffende het kristallijne siliciumsubstraat of blok, moet de bulkabsorptie van het laserlicht dat de spiegels opwarmt beneden ongeveer 5 ppm/cm worden gehouden om de spiegels, met name bij 20 K-operatie, op een stabiele cryogene temperatuur te kunnen houden. Omdat resterende vrije-lading dragers de absorptie domineren bij de beoogde golflengten van 1,5 - 2,0 µm, zijn substraten vereist met een hoge weerstand (beter dan 10 kΩ cm). Terwijl het middels float-zone gegroeid silicium de vereiste hoge soortelijke weerstand bereikt, is dit technisch gezien beperkt tot kleinere diameters. Groeiprocessen die grote substraatgroottes realiseren met lage onzuiverheden, bijvoorbeeld de magnetisch ondersteunde Czochralsky-processen, moeten verder worden onderzocht.

Bekijk de presentatie van Stefan Hild

Bekijk de presentatie van Anna Green

Bekijk de presentatie van Jessica Steinlechner

De polijstspecificaties van het silicium zullen vergelijkbaar zijn met de zeer veeleisende eisen die momenteel worden gehaald met gesmolten silica voor de LIGO- en Virgo-observatoria: deze spiegels (elk ongeveer 40 kg) zijn gepolijst met een kromtestraal van ongeveer 2 km, met vlakheid van ±2 nm en een RMS-ruwheid van minder dan 0,1 nm. Deze precisie wordt bereikt door middel van elektro-polijsten, ionenbundel figuratie en corrigerende (meerlaagse) coatings. De reflectiviteit van deze spiegels is 99,999% en de gemeten bulkabsorptie per centimeter ligt onder de 1 ppm.

Polijstprocessen die dezelfde specificaties op siliciumsubstraten kunnen opleveren, zullen moeten worden onderzocht en hun kwaliteit moet worden bewezen door middel van geschikte metrologie, inclusief parameters zoals doorgegeven golffrontvervorming en absorptie. Gezien de verschillende golflengten en gezien de operatie bij cryogene temperatuur moeten geheel nieuwe meerlaagse coatings worden ontwikkeld. Dit is waarschijnlijk een van de meest uitdagende kwesties met betrekking tot de spiegels en een actueel onderzoeksgebied in de wereldwijde onderzoeksgemeenschap op het gebied van zwaartekrachtgolven.

De belangrijkste uitdagingen in een notendop:

  • Ontwikkeling en interometrisch testen van grote (10--50 cm diameter) silicium spiegels met een bulkabsorptie voor 1550 nm laserlicht onder een paar ppm/com;
  • Superfijn gepolijste oppervlakken met een vlakheid van minder dan ±2 nm, en een RMS-ruwheid van minder dan 100 pm;
  • Gecoat met een ruis-arm en hoge reflectiviteit (T=10ppm) coating.
     

Doelen

Spiegels:

  • Kristallijn silicium (verwaarloosbare thermische uitzettingscoëfficiënt en uitstekende thermische geleider)

 

Onderzoeksdoel | Substraten & meerlaagse coatings

  • Gezien de verschillende golflengten en gezien de cryogene temperatuurwerking moeten geheel nieuwe meerlaagse coatings worden ontwikkeld. Dit is waarschijnlijk een van de meest uitdagende kwesties met betrekking tot de spiegels en een actueel onderzoeksgebied in de wereldwijde onderzoeksgemeenschap op het gebied van zwaartekrachtgolven;
  • De reflectie moet 99,999% zijn;
  • De bulkabsorptie van het laserlicht dat de spiegels opwarmt, moet onder ongeveer 5 ppm/cm worden gehouden;
  • Substraten met een hoge soortelijke weerstand (beter dan 10 kΩ cm) zijn vereist;
  • Het groeien van grote substraatgroottes met lage onzuiverheden, bijvoorbeeld d.m.v. magnetisch ondersteunde Czochralsky-processen, moet verder worden onderzocht.

 

Validatiedoel | Polijsten
Voorgestelde oplossing:

  • Elektrolytisch polijsten, ionenbundelbewerking en corrigerende (meerlaagse) coatings.


Vereisten:

  • Polijsten met een kromtestraal van ongeveer 2 km;
  • Vlakheid van ±2 nm;
  • RMS-ruwheid van minder dan 0,1 nm. 

Aanvraagformulier

R&D regeling

Vul hieronder je gegevens in. Wij zullen dan contact met je opnemen. Wil je eerst meer informatie over de regeling klik dan hier
 

Vereist
Vereist
Vereist
Vereist