Ontwikkeling van technologie om thermisch geïnduceerde deformaties te monitoren en compenseren

Zwaartekrachtgolfdetectoren gebruiken krachtige laserstralen om de kilometerlange afstand tussen superfijn gepolijste spiegels te meten. Het interferometrische proces vergelijkt twee bundels voor een differentiële meting. Om de interferometer de extreme gevoeligheid te laten bereiken die voor ET wordt verwacht, moeten de optische verliezen in het systeem niveaus van tientallen ppm bereiken, en moet het golffront van de hoofdlaser onvervormd blijven om contrastdefecten op een vergelijkbaar niveau te bereiken.
Delen van het optische systeem in ET zullen meerdere MW (Megawatts) aan continu laservermogen aanhouden. Residuele absorptie zorgt ervoor dat de optische testmassa's opwarmen en mechanisch vervormen, wat op zijn beurt leidt tot golffrontvervormingen en een groter optisch verlies door verstrooiing. Om dit effect te verminderen, voorzien we een closed-loop feedbacksysteem, dat continu de kwaliteit van de optische straal meet en gebruik maakt van contactloze activering om de vervorming van de testmassa's te corrigeren.
Bekijk de presentatie van Karin van Dale (doorkijksessie 27 maart 2024)
Bekijk de presentatie van Andreas Freis (doorkijksessie 27 maart 2024)
Soortgelijke systemen zijn ontwikkeld voor de huidige detectoren LIGO en Virgo, en we kunnen op beide gebieden profiteren van ontwikkelingen in adaptieve optica. We worden echter geconfronteerd met extra uitdagingen die specifiek zijn voor onze toepassingen: de vereiste golffrontnauwkeurigheid van de hoofdstraal bevindt zich op een niveau waarop gewone golffrontsensoren niet voldoende zijn. Ruimtelijk opgeloste fase- en intensiteitsmetingen bij RF-frequenties, hoge temporele en ruimtelijke resolutie zijn vereist. Bovendien vereist de interpretatie van de sensorgegevens een gedetailleerd model van het dynamische gedrag van een complex opto-mechanisch systeem. Last but not least hebben we alleen ervaring met contactvrije golffrontcorrectie bij kamertemperatuur, terwijl sommige systemen in ET dergelijke activering bij of vlakbij spiegels bij cryogene temperaturen (10 K) vereisen.
De belangrijkste uitdagingen in een notendop:
- Golffrontdetectie bij RF-modulatiefrequenties, met hoge ruimtelijke- en temporele resolutie;
- Hulpsystemen om de vervormingen van het spiegeloppervlak lokaal te monitoren;
- Gevolgtrekking uit golffrontsensorgegevens met betrekking tot de straal- en spiegelvervorming binnen het volledige optische systeem;
- Modelleren van een complex opto-mechanisch systeem van 7 hangende spiegels met een pm-nauwkeurigheid;
- Contactloos (bij)stellen van het golffront van de belangrijkste test-massa's (d.w.z. over een gebied van > 50 cm);
- Adaptieve golffrontcorrectie in bundel telescoop voor hulpsystemen;
- Vrije-vorm Optica met een vergelijkbare golffrontkwaliteit als de superfijn gepolijste sferische of parabolische optica.
Doelen
Problemen:
- Residuele absorptie van laservermogen, opwarming en mechanisch vervormen van optische testmassa's;
- Dit leidt tot golffrontvervormingen en een groter optisch verlies door verstrooiing;
- Geen ervaring met contactvrije golffrontcorrectie bij cryogene temperaturen (voor een deel van de spiegels).
Vereisten:
- De optische verliezen binnen het systeem moeten niveaus van tientallen ppm bereiken;
- Het golffront van de hoofdlaser moet onvervormd blijven om contrastdefecten op een vergelijkbaar niveau te houden.
Engineeringdoel | Sensoren
- Closed-loop feedbacksysteem, dat continu de optische straalkwaliteit meet en contactloze activering gebruikt om de vervorming van de testmassa's te corrigeren;
- Gedetailleerd model van het dynamische gedrag van een complex opto-mechanisch systeem, nodig voor betrouwbare interpretatie van de sensorgegevens.
Onderzoeksdoel | Golffrontcorrectie bij cryogene temperatuur
- Contactvrije golffrontcorrectie bij of vlakbij spiegels bij cryogene temperaturen (10K).