Polissage des Miroirs d Advanced Virgo : un nouveau défi. Les solutions envisagées

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1 Polissage des Miroirs d Advanced Virgo : un nouveau défi Les solutions envisagées Laurent PINARD Responsable Technique Laboratoire des Matériaux Avancés - Lyon 1

2 Plan de l exposé Introduction Virgo, les miroirs dans Virgo Advanced Virgo : Nouveaux miroirs, spécifications Simulations des cavités Définition de la planéité requise Polissage : solutions envisagées Traitement Correctif, Polissage Ionique Conclusion 2

3 Introduction : Le détecteur Virgo Interféromètre de 3 km près de Pise en Italie Construit par une collaboration franco-italienne Financé par le CNRS en France Vérifier expérimentalement l existence des ondes gravitationnelles (Relativité Générale) LMA : en charge des miroirs de l ITF 3

4 Polissage substrat silice Diamètre = 35 cm, Epaisseur = 10 cm, Poids = 20 kg Rugosité : < 1 Å rms Introduction : Les miroirs Virgo ROC : /- 100 m Peu de défauts ponctuels Planéité : < 8 nm RMS sur 150 mm obtenu : # 3-4 nm RMS 4

5 Introduction : Les miroirs Virgo SIDE B measurements VIRGO specifications LMA mesurements average scattering < 5 ppm 4 ppm mm 2 average transmission 10 < T < 50 ppm 42,9 +/- 0,2 ppm 150 mm average absorption wavefront flatness < 5 ppm < 8 nm RMS 150 mm 0,63 +/- 0,07 ppm 150 mm 3,8 nm RMS 150 mm Empilement de couches minces déposé par Ion Beam Sputtering 5

6 Advanced Virgo LIGO/Virgo vérifient les limites supérieures des prédictions Taux d événements trop faible pour faire de l astronomie Besoin d améliorer les détecteurs Sensibilité x 10 = rate x 1000 Advanced Virgo approuvé en Dec 2009 Ingrédients principaux - Laser plus puissant (200 W) - Nouvelle configuration optique - Miroirs plus massifs (40 kg) - Suspensions monolithiques LMA responsable pour les miroirs ~ 5 M d investissement (25% du coût du projet) 6

7 Advanced Virgo : les miroirs Dans Virgo : pertes par aller-retour dans la cavité = ppm Origine : défauts de planéité de période centimétrique ou plus Pour Advanced Virgo : Pertes par aller retour = 75 ppm (spécif.) 25 ppm : Abs+Diff+T 50 ppm : défauts de planéité spécif. très sévère Substrat : Silice faible absorption (Suprasil 3002) Diamètre = 35 cm, Epaisseur = 20 cm, Poids = 40 kg Cout 130 k (sans polissage) 7

8 Advanced Virgo : Simulations de la cavité But : définir la spécification sur la planéité des miroirs Advanced Virgo (pertes 50 ppm) Extraction PSD(1D) Cartes mesurées au LMA ou chez le polisseur Cartes artificielles générées à partir des PSD, avec différentes valeurs RMS Simulations de la cavité Formes PSD dépend du polisseur ( f -n, n [0;2]) 8

9 Advanced Virgo : Simulations de la cavité ROC = 1420 m ROC = 1683 m 0.5 nm RMS = spécification 9

10 Advanced Virgo : Polissage - Solutions 2 solutions identifiées «Polissage Classique» (meilleur possible) + Traitement Correctif (LMA) Baseline pour AdV Microrugosité préservée «Polissage Classique» + Ion Beam Figuring (polissage ionique) Solution pour LIGO Inconvénients : Plus cher (facteur 2-3) Microrugosité # 1.5 Å rms 10

11 Advanced Virgo : Polissage - Solutions Traitement Correctif Développé en 2005/2006 au LMA Source d ions Utilise la chambre de dépôt IBS développée pour Virgo en 2000 Ajout de matière pour combler les trous et tendre vers un plan «parfait» masque Substrat en translation Atomes pulvérisés Robot Cible de silice Interféromètre 11

12 Substrat 156 mm VIRGO type Advanced Virgo : Polissage - Solutions Traitement Correctif Avant correction ( 120 mm) 3.3 nm R.M.S. 16 nm P.V. Défaut au centre lié au robot (mécanique) Après correction ( 120 mm) 0.98 nm R.M.S. 10 nm P.V. Microrugosité préservée (0,5 Å RMS) 12

13 Advanced Virgo : Polissage - Solutions Traitement Correctif Nouveau robot développé pour supprimer ce problème Installé sur la chambre prochainement 13

14 Advanced Virgo : Polissage - Solutions Traitement Correctif Effet TC sur la PSD : aplati le spectre dans les basses fréquences jusqu à une fréquence de coupure fc fc 14

15 Advanced Virgo : Polissage - Solutions Traitement Correctif Fréquence de coupure : 50 m -1 (correction défauts de période 2 cm), peut être raisonnablement atteint par le TC Pour atteindre 0.5 nm rms après traitement correctif (TC), on ne peut pas partir de n importe quelle planéité Simulations (1000) avec des cartes artificielles obtenues à partir des PSD, pour différentes valeurs de planéité rms (4 nm comme Virgo, 1.5 nm) 15

16 Advanced Virgo : Polissage - Solutions Traitement Correctif 1% des simulations donnent des pertes < 50 ppm TC pas suffisamment efficace 16

17 Advanced Virgo : Polissage - Solutions Traitement Correctif 17

18 Advanced Virgo : Polissage - Solutions Traitement Correctif 96% des simulations donnent des pertes < 50 ppm Conclusion : Avant TC, planéité au moins de 1.5 nm rms, obtenue par polissage «classique» : challenge Autre contraintes pour le polissage : - précision sur les ROC (+/- 10m) - défauts ponctuels 18

19 Traitement correctif : pour infos.. Faisceau Gaussien Faisceau plat Faisceau Gaussien Faisceau plat 19

20 Epaisseur de silice (nm) Traitement correctif : pour infos profil théorique profil expérimental Chapeau Mexicain IDEAL Rayon (mm) Ecart par rapport au profil théorique: 10 nm dans la partie centrale (Ø < 14 mm) 100 nm aux bords (14 mm < Ø < 26 mm) Miroirs de 50 mm pour Caltech (USA) Chapeau Mexicain du LMA 20

21 Advanced Virgo : Polissage - Solutions Ion Beam Figuring Toujours une phase de polissage «classique» ROC et défauts de surface corrigés avec un petit faisceau d ions Inverse du traitement correctif : On arrache de la matière au lieu d en ajouter Entreprises (US) : - ASML (maintenant ZYGO) Ligo - TINSLEY 21

22 Advanced Virgo : Polissage - Solutions Ion Beam Figuring Précision sur le ROC +/- 10 m sur 2 km Substrat LIGO : 0.21 nm RMS - 2 nm PV (150 mm diam.) 22

23 Advanced Virgo : Polissage - Solutions Ion Beam Figuring Métrologie adaptée nécessaire 0.57 nm RMS, 4,7 nm PV (Tinsley) 0.62 nm RMS, 6 nm PV (LMA) 23

24 Conclusion Polissage miroirs Advanced Virgo : nouveau challenge technologique Presque une décade à gagner sur la planéité des substrats Précision sur les rayons de courbures Taux de défauts ponctuels Solution retenue : polissage «classique» à 1.5 nm RMS + Traitement correctif Solution alternative : polissage «classique» + Ion Beam Figuring 24