Spiegelcoatings

Het ontwerp van die coatings kent heel wat uitdagingen.

• De coatings moeten zeer reflecterend zijn voor de nieuwe laserfrequenties tot een reflectieverhouding van 99,9995%.
• Vervormingen in de coatings moeten absoluut worden vermeden. Dit betekent dat de coatings perfect moeten zijn tot op het nanometerniveau. Elke fout in de coating kan leiden tot lichtverstrooiing met meetfouten tot gevolg, of de spiegel onbruikbaar maken.
• Het mechanische verlies in de coatings (welke in verband staat met de intrinsieke mechanische ruis) moet uiterst laag zijn wanneer aangebracht op het kristallijne silicium of saffier.
• De mechanische stabiliteit moet behouden blijven bij het opgebouwde optisch vermogen tot 1 MW. Alle warmte die wordt geabsorbeerd in de coating, moet naar het substraat worden geleid en afgevoerd via de kristallijne silicium staven die de spiegel dragen.
• De coatings moeten de kromming van de spiegel volgen, die een uitzonderlijk lang brandpuntsafstand van 5 km bedraagt.
• Tot slot moeten de coatings worden aangebracht op spiegels met afmetingen tot 50 cm, een dikte van 40 tot 60 cm en een gewicht tussen 100 en 300 kg, en dat met behoud van de nauwkeurigheid op nanometerniveau. De machines voor deze coatings moeten nog worden ontwikkeld.
• Deze zeer reflecterende coatings worden verkregen door veel lagen coatingmaterialen van enkele nanometers dik op elkaar te stapelen en twee materialen met verschillende brekingsindex n te gebruiken.
• De optische laagdikte moet een kwart van een golflengte zijn. Hoe hoger de brekingsindex n, hoe dunner de laag moet zijn. Bijvoorbeeld: amorf SiO₂ (n=1.45) en Ta₂O₅ (n=2.05)
• De lichtintensiteit neemt af voor elke laag van de coating. Om een reflectiviteit van 99,999% te bereiken, zullen ongeveer 38 lagen nodig zijn.

Voor elke laag is een uiterst hoge nauwkeurigheid vereist. Een enkele fout tijdens een van de coatingruns zal alleen maar extrapoleren en resulteren in onaanvaardbare fouten in de spiegel. Dit betekent dat het coatingproces dag en nacht moet worden bewaakt. De coating wordt ook uitgevoerd bij hoge temperaturen, wat het risico op thermische vervormingen vergroot. Een apart onderzoeksgebied is dus het gebruik van coatingtechnieken bij lagere temperaturen.

Het onderzoek naar het vinden van de optimale coating voor de spiegels van de ET is nog steeds aan de gang. Een eerste methode is het gebruik van monokristallijne coatings op kristallijn silicium of saffier. Een andere aanpak is het gebruik van polymorf SiO₂ op kristallijn silicium.

Het initiële onderzoek richt zich op spiegels met kleinere diameters om mechanische verliezen te onderzoeken. De diameter van de spiegellichamen wordt vervolgens vergroot om te onderzoeken hoe de mechanische ruis schaalt met de grotere diameter.

Een tweede onderzoeksgebied is het aanzienlijk verbeteren van het Coating Thermal Noise (CTN) door de bedrijfstemperatuur te verlagen. Deze techniek moet de mechanische verliezen van de coatings aanzienlijk verlagen, hopelijk met ongeveer een factor 10.

Het hoge frequentie gedeelte van de Einstein Telescope (ook wel ET-HF genoemd) zal werken bij kamertemperatuur. De interferometers voor ET-HF zijn geoptimaliseerd voor zogenaamd shot noise (ook wel quantum phase noise genoemd). De ET is dermate gevoelig dat individuele fotonen (shots) of quantum ruis al een verschil kunnen geven in de metingen. De gevoeligheid kan verhoogd worden door het optisch vermogen (het aantal fotonen) drastisch te verhogen.

Dit betekent dat er gebruik wordt gemaakt van krachtige lasers en tot 1 MW optisch vermogen wordt vastgelegd tussen de spiegels. Omdat er een groot aantal fotonen betrokken is bij de metingen, is de impact van de ruis in de coatings lager. Het hogere vermogen betekent wel dat de spiegels op hogere temperaturen werken, en dus meer last hebben van thermische ruis. De thermische ruis wordt sterker bij lage frequenties (in het geval van de ET-HF vanaf ongeveer 30Hz) en dus is de ET-HF zeer gevoelig voor hogere frequenties, maar niet voor de lagere frequenties.

Optioneel kunnen dezelfde golflengten en substraatmaterialen worden gebruikt als al worden gebruikt in de LIGO- en Virgo-detectoren. De uitdaging ligt in het vergroten van de diameter van de spiegels met bijna een factor twee. Toch moeten de coatings vrij blijven van defecten, en dat is beslist geen sinecure.

Het lage frequentie gedeelte van de Einstein Telescope (ook wel ET-LF genoemd) zal werken bij cryogene temperaturen van 10K tot 20K (-263 °C tot -253 °C). De interferometers voor ET-LF zijn daarmee geoptimaliseerd voor thermische ruis (in het geval van de ET-LF vanaf 0,4 Hz).

Immers, een hogere temperatuur betekent eigenlijk dat de moleculen en atomen in de spiegel en de spiegelcoating harder trillen. Die (thermische) ruis is ook zichtbaar in het laserlicht dat op de coating invalt. Door de temperatuur drastisch te verlagen, wordt die ruis verminderd en kan de ET-LF de lagere frequenties meten.

Om die lage temperatuur te kunnen aanhouden, moeten de vermogensniveaus van de lasers laag blijven. Het gevolg is dat elke foton die op de sensoren valt, telt. Bij normaal bedrijf zullen ongeveer 10¹⁸ fotonen per seconde de detectoren raken. Omdat de ET-LF zo gevoelig is, kan de nauwkeurigheid van de meting al in het gevaar komen zodra enkele fotonen per seconde foutief zijn. Die fouten kunnen komen van strooilicht doordat een luchtmolecule geraakt wordt, of door quantumruis (het eerder vermelde shot noise) welke vooral bij hogere frequenties belangrijk wordt.

De ET-LF is dus gevoelig (bv. 10^-23/ÖHz ) voor lage frequenties (vanaf 0,3 Hz) en minder gevoelig voor hogere frequenties (tot 70 Hz). De ET-HF frequentieband is minder gevoelig voor lage frequenties (vanaf 15 Hz) en gevoelig tot in de hogere frequenties (tot boven 10 KHz). Samen vormen de twee interferometers een soort xylofoon die over een bredere bandbreedte kan werken.

Dit betekent wel dat vooral voor ET-LF nieuwe soorten spiegelsubstraten (bijvoorbeeld silicium of saffier) moeten gevonden worden die bij deze lage temperaturen kunnen werken. Het gevolg is dat er ook nieuwe laserfrequenties en spiegelcoatings moeten gevonden worden. Het onderzoek spitst zich toe in het elektromagnetische spectrum en omvat het gebruik van nanolagen, meerlaagse coatings kristallijne coatings.

In de eerste plaats is het de verwachting dat de nieuwe coatings ook kunnen worden gebruikt voor spiegels in andere zwaartekrachtsgolfdetectoren. Dit kan voor nieuwe detectoren zijn (zoals LISA of de Cosmic Explorer), of voor de upgrade van reeds bestaande detectoren (zoals LIGO of Virgo). Er kan ook interesse zijn voor spiegels die worden gebruikt in optische astronomie of ruimtetoepassingen.

De spiegelcoatingtechnieken kunnen ook hun weg vinden naar civiel gebruik, bijvoorbeeld voor de coating van ramen of reguliere spiegels. Het gebruik van de coatingtechnieken in bijvoorbeeld de micro-elektronica moet nog worden onderzocht.