The Advanced Virgo gravitational wave detector: Study of the optical design and development of the mirror.
Le détecteur d'ondes gravitationnelles Advanced Virgo : Étude de la configuration optique et développement des miroirs
Résumé
Gravitational waves have been predicted by Einstein in his General Relativity theory. They are perturbation of the space-time metric and we try to reveal them by laser interferometry. More precisely, gravitational wave detectors are km long Michelson interferometers combined with Fabry-Perot cavities. The network of first generation detectors (Virgo, LIGO, GEO) did not permit a direct detection after several observational runs in coincidence at the nominal sensitivity. A second generation of detectors is in preparation with in particular the European project Advanced Virgo which should have a sensitivity increased by an order of magnitude compared to Virgo. The interferometer mirrors play a crucial role in the Advanced Virgo sensitivity. This thesis is interested first in the thermal lensing effect induced by the high power circulating in the Fabry-Perot cavities for different optical configurations of the interferometer. Then we are interested in the mirrors composing the Fabry-Perot arm cavity from the calculation of the requirements in terms of flatness to the realization of the mirrors flatness and its measurement. The mirror flatness should be sub-nanometric in order to limit the optical losses in the Fabry-Perot cavities to reduce the effect of the shot noise and of the diffused light. We will see the correction of the substrates flatness by the so-called corrective coating technique. Finally, we study the uniformity of the dielectric multilayer coating deposition necessary to obtained high-reflective mirrors. We study in particular the planetary motion of the substrates in the coating machine.
Les ondes gravitationnelles ont été prédites par Einstein dans sa théorie de la Relativité Générale. Elles sont des perturbations de l'espace-temps que l'on essaie de mettre en évidence par interférométrie laser. Les détecteurs sont des interféromètres de Michelson de plusieurs km de long combinés avec des cavités Fabry- Perot afin d'augmenter la sensibilité de l'instrument. La première génération de détecteurs (Virgo, LIGO, GEO) n'a pas permis d'obtenir une détection directe malgré plusieurs phases d'observations en coïncidence à la sensibilité prévue. Une seconde génération de détecteurs est actuellement en préparation avec notamment le projet européen Advanced Virgo qui devrait avoir une sensibilité améliorée d'un ordre de grandeur. Cette thèse s'intéresse dans un premier temps aux effets de lentille thermique due à la haute puissance contenue dans les cavités Fabry-Perot pour différentes configurations optiques de l'interféromètre. Par la suite, nous nous intéresserons aux miroirs qui composent les cavités Fabry-Perot depuis la définition des besoins en termes de planéité à la réalisation de cette planéité et à sa mesure. La planéité de ces miroirs doit être sub-nanométrique de façon à limiter les pertes optiques dans les cavités Fabry-Perot et ainsi réduire les effets du bruit de photons et de la lumière diffusée. Nous verrons la réalisation de la correction de la planéité des substrats par la technique dite du traitement correctif. Nous étudierons aussi l'uniformité du dépôt des couches minces diélectriques nécessaires à l'obtention de surface hautement réfléchissante avec en particulier l'étude du mouvement planétaire des substrats dans la machine de dépôts.
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