I ricercatori hanno sviluppato un nuovo tipo di specchio deformabile che potrebbe aumentare la sensibilità dei rilevatori di onde gravitazionali a terra come l'Advanced Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO). LIGO avanzato misura deboli increspature nello spazio tempo chiamate onde gravitazionali, che sono causati da eventi distanti come collisioni tra buchi neri o stelle di neutroni.

"Oltre a migliorare i rilevatori di onde gravitazionali odierni, questi nuovi specchi saranno utili anche per aumentare la sensibilità nei rivelatori di prossima generazione e consentire il rilevamento di nuove sorgenti di onde gravitazionali, ", ha affermato il leader del gruppo di ricerca Huy Tuong Cao dell'Università di Adelaide, nodo del Centro di eccellenza australiano per la scoperta delle onde gravitazionali (OzGrav).

Specchi deformabili, utilizzati per modellare e controllare la luce laser, avere una superficie fatta di minuscoli specchi che possono essere spostati ciascuno, o attivato, per modificare la forma complessiva dello specchio. Come dettagliato nella rivista The Optical Society (OSA) Ottica applicata , Cao e colleghi hanno, per la prima volta, realizzato uno specchio deformabile basato sull'effetto bimetallico in cui viene utilizzata una variazione di temperatura per ottenere uno spostamento meccanico.

"Il nostro nuovo specchio offre un'ampia gamma di attuazione con grande precisione, " ha detto Cao. "La semplicità del design significa che può trasformare l'ottica disponibile in commercio in uno specchio deformabile senza alcuna attrezzatura complicata o costosa. Ciò lo rende utile per qualsiasi sistema in cui il controllo preciso della forma del raggio è cruciale."

La nuova tecnologia è stata concepita da Cao e Aidan Brooks di LIGO come parte di un programma di visitatori tra l'Università di Adelaide e il Laboratorio LIGO, finanziato dall'Australian Research Council e dalla National Science Foundation.

Costruire uno specchio migliore

I rilevatori di onde gravitazionali a terra utilizzano la luce laser che viaggia avanti e indietro lungo i due bracci di un interferometro per monitorare la distanza tra gli specchi all'estremità di ciascun braccio. Le onde gravitazionali causano una leggera ma rilevabile variazione della distanza tra gli specchi.

Il rilevamento di questo piccolo cambiamento richiede uno sterzo e una sagomatura del raggio laser estremamente precisi, che si realizza con uno specchio deformabile.

"Stiamo raggiungendo un punto in cui la precisione necessaria per migliorare la sensibilità dei rilevatori di onde gravitazionali è al di là di ciò che può essere realizzato con le tecniche di fabbricazione utilizzate per realizzare specchi deformabili, " disse Cao.

La maggior parte degli specchi deformabili utilizza specchi sottili per indurre una grande quantità di attuazione, ma questi specchi sottili possono produrre una dispersione indesiderata perché sono difficili da lucidare. I ricercatori hanno progettato un nuovo tipo di specchio deformabile utilizzando l'effetto bimetallico attaccando un pezzo di metallo a uno specchio di vetro. Quando i due vengono riscaldati insieme il metallo si espande più del vetro, facendo piegare lo specchio.

Il nuovo design non solo crea una grande quantità di azionamenti precisi, ma è anche compatto e richiede modifiche minime ai sistemi esistenti. Sono disponibili in commercio sia gli specchi di silice fusa che le lastre di alluminio utilizzate per creare lo specchio deformabile. Per collegare i due strati, i ricercatori hanno accuratamente selezionato un adesivo adesivo che massimizzasse l'attuazione.

"È importante che il nuovo design ha meno superfici ottiche per il passaggio del raggio laser, disse Cao. "Ciò riduce la perdita di luce causata dalla dispersione o dall'assorbimento dei rivestimenti".

Caratterizzazione di precisione

La creazione di uno specchio altamente preciso richiede tecniche di caratterizzazione di precisione. I ricercatori hanno sviluppato e costruito un sensore di fronte d'onda Hartmann altamente sensibile per misurare come le deformazioni dello specchio hanno cambiato la forma della luce laser.

"Questo sensore è stato fondamentale per il nostro esperimento ed è utilizzato anche nei rilevatori gravitazionali per misurare i minimi cambiamenti nell'ottica centrale dell'interferometro, " ha detto Cao. "L'abbiamo usato per caratterizzare le prestazioni dei nostri specchi e abbiamo scoperto che gli specchi erano altamente stabili e hanno una risposta molto lineare ai cambiamenti di temperatura".

I test hanno anche dimostrato che l'adesivo è il principale fattore limitante per il campo di azionamento degli specchi. I ricercatori stanno attualmente lavorando per superare la limitazione causata dall'adesivo ed eseguiranno più test per verificare la compatibilità prima di incorporare gli specchi in Advanced LIGO.