Optical development for second and third generation gravitational wave detectors : Stable recycling cavities for Advanced Virgo and Higher-orders Laguerre-Gauss Modes

par Massimo Granata

Thèse de doctorat en Champs, particules, matière

Sous la direction de Matteo Barsuglia et de Viviana Fafone.

Soutenue en 2011

à Paris 7 .

mots clés

• Ondes gravitationnelles
• Interféromètres

Titre traduit

Développements optiques pour le détecteur d'ondes gravitationnelles de deuxième et troisième génération : cavités de recyclage pour advanced Virgo et modes de Laguerre-Gauss d'ordre supérieur

Résumé

Les ondes gravitationnelles sont des perturbations de l'espace-temps qui pourraient être détectées par un interféromètre de Michelson avec cavités Fabry-Perot. Plusieurs interféromètres sont à présent en opération: LIGO, Virgo, GEO. Ces instruments ont atteint leur sensibilité nominale et ont accompli plusieurs acquisitions de données scientifiques. Aucune détection n'a été reportée. Advanced Virgo, Advanced LIGO et LCGT sont les projets d'amélioration de sensibilité des détecteurs actuels d'un ordre de grandeur. Ces instruments, dont la construction est en cours, permettront la première détection directe des ondes gravitationnelles. Une ultérieure troisième génération d'instrument offrant une encore plus grande sensibilité est à l'étude. La sensibilité des détecteurs futurs sera limitée par le bruit thermique des miroirs. Cette thèse porte sur deux thèmes liés à la réduction de ce bruit. Le premier concerne la conception optique des cavités stable de Advanced Virgo. Leurs propriétés sont présentées, les arguments en faveur de leur utilisation sont discutés. Une procédure est établie pour achever leur conception optique. Plusieurs configurations sont examinées, conduisant à la sélection de l'une d'entre elles dont on discute les performances optiques. Le deuxième thème concerne l'utilisation des modes de Laguerre-Gauss (LG). On présente les résultats d'une expérience testant la génération d'un mode LG33 avec une optique diffractive et une cavité Fabry-Perot. Ce mode est utilisé dans un interféromètre de Michelson pour démontrer la faisabilité de mesures interférométriques avec des faisceaux non-Gaussiens. L'utilisation des modes LG dans les détecteurs futurs est discutée.

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Résumé

Gravitational waves are ripples in the fabric of space-time which might be detected with a Fabry-Perot Michelson interferometer. Several interferometers are presently operating: LIGO, Virgo, GEO. These instruments almost reached the design sensitivity and completed several observational runs. No detection is reported, but the data have been used to constraint the emission of astrophysical sources in the nearby Universe. Advanced Virgo, Advanced LIGO and LCGT are projects to increase the sensitivity of initial detectors by an order of magnitude, allowing the first direct detection. Their construction is presently ongoing. In the meanwhile, the project of a detector (Einstein Telescope) of higher sensitivity is under study. The sensitivity of future detectors will be limited by mirror thermal noise. In this thesis, two topics related to the reduction of this noise are presented. The first topic is the optical design of stable recycling cavities for Advanced Virgo. Their main features are presented, and the motivations for their implementation are discussed. A process for their optical design is established, and several layouts are drawn. A final configuration is retained, and its optical performances are discussed. The second topic concerns the use of higher-order Laguerre-Gauss laser modes. After a brief introduction about these modes, the results of a table-top experiment to test the generation of an LG33 mode with a diffractive plate and a Fabry-Perot cavity are presented. The mode is used in a Michelson interferometer, to demonstrate the ability of interferometric measurements with non-Gaussian beams. The implementation of these modes in future detectors is discussed.