精密變形鏡可探測深空引力波的新來源

重力波探測器的熱驅動鏡：下圖顯示了雙壓電晶片鏡及其組成部分的橫截面。控制反射鏡的溫度會改變反射波陣面的曲率。模擬的徑向應力覆蓋在橫截面上，徑向應力顯示應力集中在兩層邊界處，其中粘合劑將結構固定在一起。

改進的可變形精密反射鏡可以提高引力波探測器的靈敏度，以幫助科學家從太空深處探測引力波的新來源。

研究人員已經開發出一種新型的可變形反射鏡，它可以提高地面重力波探測器的靈敏度，例如高級雷射幹涉儀重力波天文臺（LIGO）。先進的LIGO可以測量由引力波引起的時空微弱的波動，這種波動是由諸如黑洞或中子星之間的碰撞之類的遙遠事件引起的。

「除了改進當今的重力波探測器外，這些新型反射鏡還將有助於提高下一代探測器的靈敏度，並允許探測新的重力波源，」阿德萊德大學分校的研究團隊負責人Huy Tuong Cao說。澳大利亞引力波發現卓越中心（OzGrav）。

用於成形和控制雷射的可變形反射鏡的表面由微小的反射鏡製成，每個反射鏡均可移動或驅動，以改變反射鏡的整體形狀。正如在光學學會（OSA）的《應用光學》雜誌上所詳述的那樣 ，曹及其同事首次基於雙金屬效應製造了可變形反射鏡，其中利用溫度變化來實現機械位移。

曹說：「我們的新反光鏡可提供很大的致動範圍，且精度很高。」 「設計的簡單性意味著它可以將市售的光學器件變成可變形的反射鏡，而無需任何複雜或昂貴的設備。這對於任何對光束形狀的精確控制至關重要的系統都非常有用。」

LIGO的Cao和Aidan Brooks設想了這項新技術，這是阿德萊德大學和LIGO實驗室之間的訪問者計劃的一部分，該計劃由澳大利亞研究委員會和國家科學基金會資助。

建立更好的鏡子

地面重力波檢測器使用雷射沿著幹涉儀的兩個臂來回移動，以監視每個臂末端的反射鏡之間的距離。引力波會導致反射鏡之間的距離發生輕微但可檢測的變化。

要檢測到這種微小變化，就需要極其精確的雷射束控制和整形，這是通過可變形鏡實現的。

曹說：「提高重力波探測器靈敏度所需的精度已經超出了用於製造可變形反射鏡的製造技術所能達到的精度。」

大多數可變形鏡使用薄鏡引起大量的驅動，但是這些薄鏡會產生不希望的散射，因為它們很難拋光。研究人員通過將一塊金屬附著在玻璃鏡上，利用雙金屬效應設計了一種新型的可變形鏡。當兩者一起加熱時，金屬會比玻璃膨脹得更多，從而導致鏡子彎曲。

新設計不僅可以產生大量的精確致動，而且結構緊湊，並且只需對現有系統進行最少的改動即可。用於製造可變形鏡的熔融石英鏡和鋁板均可商購。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動力。

「重要的是，新設計的光學表面較少，雷射束可以通過。」 「這減少了由於塗料的散射或吸收引起的光損失。」

精密表徵

創建高精度鏡面需要精密的表徵技術。研究人員開發並建造了高度靈敏的Hartmann波前傳感器，以測量反射鏡的變形如何改變雷射的形狀。

「該傳感器對我們的實驗至關重要，還用於重力檢測器中以測量幹涉儀核心光學器件的微小變化，」曹說。「我們用它來表徵反射鏡的性能，發現反射鏡非常穩定，並且對溫度變化具有非常線性的響應。」

測試還表明，粘合劑是反光鏡驅動範圍的主要限制因素。研究人員目前正在努力克服由膠粘劑引起的局限性，並將在將反光鏡集成到高級LIGO中之前進行更多測試以驗證兼容性。