新型干涉仪反射镜的反射率高达99.999%
- 2021/10/8 14:21:13 11216
- 来源：闲集网
【仪表网 仪表研发】导读：自从2015年激光干涉引力波天文台 (LIGO) 突破性地探测到由一对碰撞黑洞产生的引力波以来，该天文台与其欧洲合作伙伴设施处女座一起探测到了数十次类似的宇宙隆隆声通过空间和时间发送涟漪。
未来，随着美国国家科学基金会资助的 LIGO 天文台(一个位于华盛顿州汉福德，另一个位于路易斯安那州利文斯顿)进行越来越多的升级，预计这些设施将探测到越来越多的这些极端宇宙事件。这些观测将有助于解开关于我们宇宙的基本谜团，例如黑洞是如何形成的以及我们宇宙的成分是如何制造的。
待测试的 LIGO 涂层材料沉积在薄玻璃盘上，比 LIGO 反射镜小得多。照片中的粉红色是由于表面沉积了薄薄的金属氧化物层。图片来源：加州理工学院
提高天文台灵敏度的一个重要因素是位于仪器中心的玻璃反射镜上的涂层。每个 40 公斤(88 磅)的镜子(两个 LIGO 天文台的每个探测器都有四个)都涂有反射材料，基本上可以将玻璃变成镜子。镜子反射能力越强，对通过的引力波和激光束的敏感度就越高。
一般来说，反射镜越反射，仪器就越灵敏，但有一个问题：使反射镜反射的涂层也会导致仪器中的背景噪声——掩盖感兴趣的引力波信号的噪声。
现在，LIGO 团队的一项新研究描述了一种由氧化钛和氧化锗制成的新型反射镜涂层，并概述了它如何将LIGO 反射镜中的背景噪声降低两倍，从而增加 LIGO 可容纳的空间体积探测系数为八。
加州理工学院 LIGO 高级研究科学家加布里埃尔·瓦金特 (Gabriele Vajente) 说：“我们希望在当今可能的边缘找到一种材料，”该论文发表在《物理评论快报》杂志上。“我们研究宇宙天文尺度的能力受到这个非常微小的微观空间中发生的事情的限制。”
“有了这些新涂层，我们希望能够将引力波的检测率从每周一次提高到每天一次或更多次，”加州理工学院 LIGO 实验室执行主任 David Reitze 说。
这项研究可能在电信和半导体领域有未来的应用，是加州理工学院之间的合作。科罗拉多州立大学；蒙特利尔大学；和斯坦福大学，其在 SLAC 国家加速器实验室的同步加速器被用于涂层的表征。
LIGO 使用称为干涉仪的探测器探测时空涟漪。在这种设置中，一束强大的激光束被分成两束：每束光束沿着一个大型 L 形真空外壳的一个臂向下传播到 4 公里外的镜子。镜子将激光束反射回它们的来源。当引力波经过时，它们会以几乎无法察觉但可检测的量(远小于质子的宽度)拉伸和挤压空间。扰动改变了两束激光束返回源的时间。
镜子本身的任何抖动——甚至是镜子涂层中原子的微观热振动——都会影响激光束到达的时间，并使引力波信号难以分离。
每次光线在两种不同的材料之间通过时，都会反射一部分光线，这与发生在您的窗户上的情况相同：您可以在玻璃中看到微弱的反射。通过添加多层不同材料，我们可以增强每次反射并使我们的镜子反射率高达 99.999%。
“这项工作的重要之处在于我们开发了一种新方法来更好地测试材料，”Vajente 说：“我们现在可以在大约 8 小时内完全自动化地测试新材料的特性，而之前需要将近一周的时间。这使我们能够通过尝试许多不同的材料和许多组合来探索元素周期表。其中一些我们尝试的材料不起作用，但这让我们深入了解哪些特性可能很重要。”
最后，科学家们发现由氧化钛和氧化锗组合制成的涂层材料耗散的能量最少(相当于减少热振动)。
科罗拉多州立大学教授、LIGO 科学合作组织成员 Carmen Menoni 说：“我们对制造工艺进行了定制，以满足光学质量和降低镜面涂层热噪声的严格要求。”
Menoni 和她在科罗拉多州立大学的同事使用一种称为离子束溅射的方法来涂覆镜子。在这个过程中，钛和锗原子从源上剥离，与氧结合，然后沉积在玻璃上以形成原子薄层。
新涂层可能用于 LIGO 的第五次观测运行，该运行将作为 Advanced LIGO Plus 计划的一部分在本世纪中期开始。与此同时，LIGO 的第四次观测运行，即 Advanced LIGO 活动中的最后一次观测，预计将于 2022 年夏季开始。
“这是 Advanced LIGO Plus 的游戏规则改变者，”Reitze 说：“这是 LIGO 如何严重依赖尖端光学和材料科学研究和开发的一个很好的例子。这是LIGO 在过去 20 年中在精密光学镀膜开发方面取得的最大进步。”
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