研究人員開(kāi)發(fā)出一種新型的可變形反射鏡，可以提高地面重力波探測(cè)器的靈敏度，例如先進(jìn)的激光干涉儀重力波天文臺(tái)（LIGO）。先進(jìn)的LIGO可以測(cè)量由引力波引起的時(shí)空微弱的波動(dòng)，這種波動(dòng)是由諸如黑洞或中子星碰撞之類(lèi)的遙遠(yuǎn)事件引起的。
（圖片來(lái)源：阿德萊德大學(xué)的Huy Tuong Cao ）
該圖顯示了熱雙壓電晶片鏡的橫截面及其組成部分?？刂品瓷溏R的溫度會(huì)改變反射波陣面的曲率。模擬的徑向應(yīng)力覆蓋在橫截面上，徑向應(yīng)力顯示應(yīng)力集中在兩層的邊界處，其中粘合劑將結(jié)構(gòu)固定在一起。
這項(xiàng)新技術(shù)是由澳大利亞研究委員會(huì)和國(guó)家科學(xué)基金會(huì)資助的阿德萊德大學(xué)和LIGO實(shí)驗(yàn)室之間的訪(fǎng)客計(jì)劃的一部分，由LIGO的Cao和Aidan Brooks提出的。研究人員首次基于雙金屬效應(yīng)制作了可變形反射鏡，其中使用溫度變化來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)械位移。用于成形和控制激光的可變形反射鏡的表面由微小的反射鏡組成，每個(gè)反射鏡均可移動(dòng)或驅(qū)動(dòng)，以改變反射鏡的整體形狀。
來(lái)自澳大利亞重力波發(fā)現(xiàn)卓越中心（OzGrav）阿德萊德節(jié)點(diǎn)大學(xué)（universityofadelaidenode）的研究團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人曹慧彤（huytoungcao）說(shuō)：“除了改進(jìn)當(dāng)今的重力波探測(cè)器外，這些新型反射鏡還將有助于提高下一代探測(cè)器的靈敏度，并允許探測(cè)新的重力波源。我們的新反光鏡可提供很大的致動(dòng)范圍，且精度很高。設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)單性意味著它可以將市售的光學(xué)器件變成可變形的反射鏡，而無(wú)需任何復(fù)雜或昂貴的設(shè)備。這使得它對(duì)于精確控制光束形狀至關(guān)重要的任何系統(tǒng)都非常有用。”
建立更好的鏡子
地面重力波探測(cè)器使用激光在干涉儀的兩個(gè)臂之間來(lái)回移動(dòng)，以監(jiān)視每個(gè)臂末端的反射鏡之間的距離。引力波會(huì)導(dǎo)致反射鏡之間的距離發(fā)生輕微但可檢測(cè)的變化。要檢測(cè)到這種微小變化，就需要極其精確的激光束控制和整形，這是通過(guò)可變形鏡實(shí)現(xiàn)的。
曹說(shuō)：“我們已經(jīng)達(dá)到了提高重力波探測(cè)器靈敏度所需的精度，這超出了用于制造可變形反射鏡的制造技術(shù)所能達(dá)到的精度。重要的是，新設(shè)計(jì)的激光束通過(guò)的光學(xué)表面更少。這減少了由涂層的散射或吸收引起的光損失?！?
大多數(shù)可變形鏡使用薄鏡引起大量的驅(qū)動(dòng)，但是這些薄鏡會(huì)產(chǎn)生不希望的散射，因?yàn)樗鼈兒茈y拋光。研究人員通過(guò)將一塊金屬附著在玻璃鏡上，利用雙金屬效應(yīng)設(shè)計(jì)了一種新型的可變形鏡。當(dāng)兩者一起加熱時(shí)，金屬會(huì)比玻璃膨脹得更多，從而導(dǎo)致鏡子彎曲。
新設(shè)計(jì)不僅可以產(chǎn)生大量的精確致動(dòng)，而且結(jié)構(gòu)緊湊，并且只需對(duì)現(xiàn)有系統(tǒng)進(jìn)行最少的改動(dòng)即可。用于制造可變形鏡的熔融石英鏡和鋁板均可商購(gòu)。為了連接這兩層，研究人員精心選擇了一種粘合劑，可以最大程度地提高驅(qū)動(dòng)力。
精密表征
創(chuàng)建高精度鏡面需要精密的表征技術(shù)。研究人員開(kāi)發(fā)并建造了高度靈敏的Hartmann波前傳感器，以測(cè)量反射鏡的變形如何改變激光的形狀。
曹說(shuō)：“該傳感器對(duì)我們的實(shí)驗(yàn)至關(guān)重要，還用于重力探測(cè)器中，以測(cè)量干涉儀核心光學(xué)器件的微小變化。我們用它來(lái)表征反射鏡的性能，發(fā)現(xiàn)反射鏡非常穩(wěn)定，并且對(duì)溫度變化具有非常線(xiàn)性的響應(yīng)。”
測(cè)試還表明，粘合劑是反光鏡驅(qū)動(dòng)范圍的主要限制因素。研究人員目前正在努力克服由膠粘劑引起的局限性，并將在將反光鏡集成到高級(jí)LIGO中之前進(jìn)行更多測(cè)試，以驗(yàn)證兼容性。
