Optica en optische metrologie

De optische systemen zijn een cruciaal aspect van de ET.

• Verschillende 200 kg zware, supergepolijste spiegels met sterk geoptimaliseerde coatings bevinden zich aan het einde van de armen. De spiegels dienen als testmassa’s voor de zwaartekrachtgolven.
• Een ultrastabiele laser levert de monochromatische laserstralen die gebruikt worden om de minieme bewegingen van de testmassa’s te meten.
• De laserstralen gaan door meerdere ultraprecieze fotonische filters die de laserstralen stabiliseren en ongewenste frequenties en ruis uitfilteren.
• Talrijke aanvullende optische systemen en sensoren dienen om het instrument te controleren en stabiliseren, zodat de passage van een zwaartekrachtgolf kan worden gedetecteerd. De golven zijn zichtbaar als een korte ‘flikkering’ in de uitlezing van de fotodetector (fotodiode) die de intensiteit van de gerecombineerde laserstralen registreert.

De detectie van zwaartekrachtgolven werd gedemonstreerd door de LIGO- en Virgo-observatoria in hun Nobelprijs winnende eerste detecties van zwaartekrachtgolven (2015-2019). Om de indrukwekkende precisie te bereiken die nodig is voor de Einstein Telescope (relatieve verplaatsingen van spiegels tot 10^–21 m) vertrouwen we op een optimale combinatie en afstemming van de beste lasers en optische apparatuur op aarde.

Als de laserstralen tussen de spiegels heen en weer gekaatst worden, moeten de optische verliezen minder zijn dan 50 ppm.  Deze bijzonder lage verliezen zijn nodig om incrementeel de vele honderden kW aan laserkracht in de armen (optische resonatoren) van de interferometer op te kunnen bouwen.

Het totale optische vermogen tussen de spiegels moet kunnen oplopen tot 18 kW voor de interferometers op lage frequenties (0,1 tot 10Hz). Dit zijn de spiegels die op cryogene temperaturen moeten werken. Voor de interferometers die op de omgevingstemperatuur, en bij hogere frequenties (10Hz tot 10KHz) werken, moet het optische vermogen opgedreven kunnen worden tot 1 MW. De laser zelf produceert daarbij continu 700 Watt, maar de laserstralen gaan duizenden keren heen en weer tussen de spiegels.

Daarnaast moeten golffrontvervormingen en verstrooiing van het lichtveld in hogere spatiale modi tot een minimum worden beperkt. De lasers moeten een extreem lage amplitude- en faseruis hebben, evenals een zeer stabiele richtnauwkeurigheid.

Zowel de LIGO als Virgo zwaartekrachtdetectors gebruiken ultrazuiver gefuseerd silica als substraat voor hun spiegels. Deze spiegels werken op omgevingstemperatuur, maar de Einstein Telescope zal spiegels hebben die werken bij cryogene temperaturen (10K tot 20K). Om die reden moeten monokristallijne silicium- of saffierspiegels worden gebruikt. De uiteindelijke keuze hangt sterk af van de mechanische ruis dat wordt gegenereerd door de reflecterende spiegelcoatings die op de substraten wordt aangebracht.

Daarnaast hangt de ruis op de spiegels ook af van de thermische ruis die door de lasers wordt veroorzaakt. Ook al zijn de spiegels uitzonderlijk reflecterend, toch lopen ze gevaar om op te warmen door het hoge vermogen van de laserstralen. Dat is nog meer het geval als het laserlicht geconcentreerd wordt op een klein oppervlak. Daarom wordt de laserbundel relatief breed gemaakt, tot een diameter van ongeveer 10 cm.

Om die brede laserstraal te ondersteunen, moeten de (ronde) spiegels een diameter krijgen van 45 cm tot 50 cm om het diffractieverlies aan de buitenkant van de spiegel minimaal te maken. Bijkomend worden de spiegels zeer dik gemaakt, tot 40 cm of zelfs 60 cm. Dit zorgt ervoor dat de spiegels zeer zwaar worden (meer dan 200 kg), zodat de optische druk van de lasers de spiegels zo weinig mogelijk doet bewegen.

Deze uitzonderlijk zware spiegels moeten vervolgens gepolijst worden met een vlakheid van ±2 nm en een RMS ruwheid van minder dan 0,1 nm. Dat zijn zuiverheden die tot op atoomniveau gaan. Een bijkomende complexiteit is dat sommige spiegels concaaf gepolijst moeten worden met een uitzonderlijk lange brandpuntsafstand van vijf kilometer, zodat het laserlicht telkens terug gecentreerd wordt.

Deze hoge precisie wordt bereikt door elektropolijsten, ionenstraalfiguratie en corrigerende (meerlagige) coatings. De reflectiviteit van deze spiegels is 99,999% en de absorptie per centimeter is lager dan 1 ppm. Deze spiegels worden opgehangen aan vier gefuseerde silicium vezels met een diameter variërend van enkele honderden µm tot enkele millimeters.

Bestaande zwaartekrachtgolfdetectoren werken bij een continue laser golflengte van 1064nm, waarbij gebruik wordt gemaakt van het zeer stabiele vaste-stof (NPRO) Nd:YAG lasers als voedingsbron. De silicium spiegels van de Einstein Telescope zijn echter niet transparant voor 1064nm. Laserlicht dat toch nog de spiegelcoatings geraakt, zou geabsorbeerd worden in plaats van door de spiegel te gaan en geabsorbeerd te worden in de mantel van de vacuümtorens.

Dat zou kunnen leiden tot ongewenste opwarming van de spiegels, en dus moeten alternatieve golflengtes van 1550nm of 2090nm worden gebruikt. Deze grotere golflengtes brengen de laserfrequenties meer naar het infrarood, waarvoor het gebruikte silicium of saffier wel transparant is.

Dat betekent dat nieuwe ultra-zuivere lasers moeten ontworpen worden. Het laserlicht wordt versterkt tot ongeveer 700W en spatiaal gefilterd om een zeer zuiver Gaussisch profiel te hebben. Een serie van hoge bandbreedte regellussen en stabilisatieschakelingen koppelen de laserfrequentie aan de kilometerlange resonatoren van de interferometer, zodat uiteindelijk een frequentiestabiliteit van 1µHz/Hz^-1/2 bereikt kan worden.

Een van de unieke kenmerken van de Einstein Telescope is het gebruik van cryogeen gekoelde spiegels om de detectiesnelheid voor lage zwaartekrachtgolf-frequenties (onder 20 Hz) aanzienlijk te verbeteren. De cryogene werking vermindert thermische ruis, met name in de spiegelcoatings en ophangingen.

Monokristallijn silicium, een bekend materiaal uit de halfgeleiderindustrie, heeft daarbij unieke eigenschappen.  Naast zijn uitstekende mechanische kwaliteit, heeft silicium een verwaarloosbare thermische uitzettingscoëfficiënt bij temperaturen rond de 120 K en onder de 20 K. Nog belangrijker is dat silicium een uitstekende thermische geleider is bij lage temperaturen. Thermische vervormingen van de spiegel zullen aanzienlijk verminderd worden in vergelijking met gesmolten silica spiegels.

Overschakelen van gesmolten silica naar kristallijn silicium vereist een andere laserlichtgolflengte zodat het bulkmateriaal van de spiegel transparant blijft. Zoals hoger vermeld, kan dit worden bereikt bij golflengtes van 1550 nm en hoger. De golflengte van ongeveer 2090 nm geniet daarbij de voorkeur omwille van de optische coating. Nieuwe lasers moeten ontwikkeld worden, met inachtneming van strikte beperkingen op onder andere vermogensstabiliteit en richting.

Daarnaast moeten ook veel nieuwe sensoren worden ontwikkeld. Meer precies zijn er sensoren nodig met weinig ruis, hoge efficiëntie en een groot oppervlak voor het monitoren van de bundel en het meten van de golffronten.

Wat het kristallijn siliciumsubstraat betreft, moet de bulkabsorptie van het laserlicht onder ongeveer 5 ppm/cm worden gehouden. Het laserlicht mag het substraat niet opwarmen om zo de spiegels op een stabiele cryogene temperatuur te kunnen houden, meer precies voor een werking bij 20 K. Aangezien resterende vrije ladingdragers de absorptie domineren bij de beoogde golflengtes van 1,5 tot 2,0 µm, zijn hoogohmige substraten (beter dan 10 kΩ cm) vereist. Hoewel float-zone getrokken silicium de vereiste hoge ohm-waarde kan bereiken, is het technisch beperkt tot kleinere diameters. Groeiprocessen die grote substraat afmetingen met zeer weinig onzuiverheden bereiken, moeten verder onderzocht worden, zoals magnetisch ondersteunde Czochralsky-processen.

De polijstspecificaties van het silicium zullen vergelijkbaar zijn met de zeer veeleisende eisen die werden behaald met gesmolten silica voor de LIGO en Virgo observatoria. Polijstprocessen die dezelfde specificaties kunnen leveren op siliciumsubstraten moeten worden onderzocht en hun kwaliteit moet worden gemeten met een geschikte metrologie, inclusief parameters zoals vervorming van het doorlatende golffront en absorptie.

Rekening houdend met de verschillende golflengte, en vanwege de cryogene temperatuuromstandigheden, moeten volledig nieuwe meerlagige coatings worden ontwikkeld. Dit is waarschijnlijk een van de grootste uitdagingen met betrekking tot de spiegels, en het is een actief onderzoeksgebied in de wereldwijde gemeenschap voor zwaartekrachtgolven.

Tot slot worden de spiegels op het einde van de reeks trillingsdempers naar verwachting opgehangen aan slechts enkele millimeter dikke kristallijn silicium ‘staven’. Het voordeel van het gebruik van kristallijn siliciumstaven is dat ze bij cryogene temperaturen toch nog een uitstekende thermische geleidbaarheid hebben. Bovendien is er een kleiner mechanisch verlies (en dus een lagere mechanische ruis) als hetzelfde materiaal gebruikt kan worden voor de ophanging als voor de spiegels zelf.

Het zal een grote uitdaging zijn om dergelijke staven te verkrijgen met lengtes van 1 tot 2 meter en met uitstekende mechanische kwaliteit (krasvrije oppervlakken) om de spiegelbelasting van 100-200 kg betrouwbaar te kunnen dragen. De staven zullen werken op ongeveer 20 procent van hun breekpunt bij het dragen van de zware spiegels. Dit wordt gedaan om de eigenfrequentie van de staven zo hoog mogelijk te houden en weg te houden van het frequentiebereik van belang voor de ET. Elke onzuiverheid in de staven is een ernstig risico op ongewenste breuken.

Een lijst van alle benodigde spiegels voor het meten van zwaartekrachtgolven en andere experimenten en detectoren is opgesteld en openbaar beschikbaar. Deze lijst bevat spiegels van verschillende maten, materialen en kwaliteiten. Naast een groot aantal kleinere spiegels zullen er de komende jaren in totaal ongeveer 140 hoogwaardige siliciumspiegels met massa’s tussen ongeveer 100 en 300 kg nodig zijn. De eerste spiegels zullen worden getest in het ETpathfinder prototype. Het is de verwachting dat vanaf ongeveer 2030 heel wat spiegels zullen nodig zijn voor de Einstein Telescope zelf.

Met name de grote spiegels vereisen nieuwe procedures voor het maken, valideren en testen. We zoeken bedrijven die bereid zijn te investeren in de ontwikkeling van dergelijke substraten en spiegels. Er is een grote kans dat het eerste bedrijf (of bedrijven) dat aan de ontwerpspecificaties voldoet, ook degene zal zijn die de bestellingen ontvangt. De bestellingen zullen niet alleen afkomstig zijn van de Einstein Telescope, maar mogelijk ook van andere zwaartekrachtdetectoren, zoals de Cosmic Explorer in de VS.

Gezien de overlap tussen onze specificaties (oppervlaktekenmerken van de spiegel) en belangrijke ruisbronnen (thermische vervormingen van de spiegel) en die in de nanolithografie industrie, voorzien we ook interesse uit die sector.