不可小看可变形反射镜，引力波探测器灵敏度因它翻一番
2020-03-26 21:53:23 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
引力波探测器的核心部件是一面抛光精度非常高的反射镜，近期阿德莱德大学针对该应用开发了一种新型可变形反射镜，对提高系统灵敏度大有帮助。
据麦姆斯咨询介绍，激光干涉引力波天文台（LIGO）是美国在路易斯安那州的列文斯顿和华盛顿州的汉福德建造的两台引力波探测器。其借助于激光干涉仪来聆听来自宇宙深处引力波，对精度要求非常高。
引力波探测器的核心部件是一面抛光精度非常高的反射镜，近期阿德莱德大学（University of Adelaide）针对该应用开发了一种新型可变形反射镜，对提高系统灵敏度大有帮助。这项工作的研究成果发表在《应用光学》（Applied Optics），论文题目为《High dynamic range thermally actuated bimorph mirror for gravitational wave detectors》。
“这款新型反射镜不仅可以改善现有引力波探测器，还将提高下一代探测器灵敏度，有望帮助发现新的引力波波源。”澳大利亚研究理事会引力波发现卓越中心（OzGrav）、阿德莱德大学分校的Huy Tuong Cao说。
用于引力波探测器的热驱动变形镜结构示意图
该项突破性技术基于双金属效应实现可变形反射镜，温度变化引起机械位移。铝圆盘的一面通过粘合剂与熔融石英反射镜进行固定，另一面则固定于加热元件之上。当两者一起被加热时，由于金属的膨胀系数高于玻璃，从而引起镜子的变形。
反射镜因受热发生变形原理示意图
新设计不仅可以提高驱动精度，而且结构紧凑，只需对现有系统稍做改动即可。用于制造可变形镜的熔融石英反射镜和铝圆盘均可从市面上采购。为了连接这两层，研究人员精心选择了一种粘合剂，以最大程度地提高驱动力。
Cao谈到：“提高引力波探测器灵敏度所需的精度已经超出了可变形反射镜制造技术所能达到的精度。重要的是，新设计减少了激光束穿过的光学表面，减少了因涂层引起散射或吸收而造成的光损失。”
阿德莱德大学和LIGO合作设计了这款热驱动双晶片变形镜。在该团队发表的论文里展示了线性响应、动态范围和像差等特性，数据证明其符合LIGO正在进行的A +升级要求。
A +（Advanced LIGO Plus的简称）检修工作计划于2023年9月完成，目的是解决当前系统的两个特有技术限制：量子力学不确定性和镜面涂层的经典布朗热噪声。这项成功的开发是继十年前完成LIGO初始设计以来取得的突破性研究，有望使探测器灵敏度提高一倍。
澳大利亚OzGrav中心和伯明翰大学引力波天文学研究所的英国团队联合解决了自适应波前控制问题，这是A +升级的主要目标之一，同时改进了光学涂层、用于光学元件的新型悬浮光纤和计算增强。OzGrav团队认为，变形镜设计在未来LIGO中发挥的重要作用目前已经窥见一斑。
CAO说：“新的变形镜设计可提供很大的驱动范围，且精度很高。设计简单意味着无需任何复杂或昂贵的设备，利用市售的光学器件就可以组装成所需的可变形反射镜。这对需要精确控制光束形状的系统都非常有用。”
论文链接地址：https://www.osapublishing.org/ao/abstract.cfm?uri=ao-59-9-2784
延伸阅读：