Étude, développement et caractérisation des miroirs des interféromètres laser de 2ème génération dédiés à la détection des ondes gravitationnelles

Design, development and characterization of mirrors of the 2nd generation laser interferometers devoted to gravitational waves detection

• Auteur / Autrice : Nicolas Straniero
• Direction : Raffaele Flaminio, Laurent Pinard, Jérôme Degallaix
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 11/12/2015
• Etablissement(s) : Lyon 1
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de Physique et Astrophysique de Lyon (Lyon ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut national de physique nucléaire et de physique des particules (France)
• Jury : Président / Présidente : Christophe Dujardin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Laurent Pinard, Jérôme Degallaix, Albert-Claude Boccara, François Bondu
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Matteo Barsuglia, Michel Lequime

Mots clés

Mots clés contrôlés

Mesure

Fabry-Pérot, Interféromètres de

Miroirs

Ondes gravitationnelles

Mots clés libres

Ondes gravitationnelles

Advanced Virgo

Advanced LIGO

Miroirs

Cavité Fabry-Pérot

Métrologie

Interféromètre de Fizeau à décalage de longueur d'onde

Gravitational waves

Advanced Virgo

Advanced LIGO

Mirrors

Fabry-Pérot cavity

Metrology

Wavelength shifting Fizeau interferometer

Résumé

En cette fin d'année 2015, la construction de la 2e génération de détecteurs d'ondes gravitationnelles s'achève. Il s'agit des grands interféromètres de Michelson, dont les bras mesurent 3 km de long (Advanced Virgo) et 4 km de long (Advanced LIGO). Les ondes gravitationnelles, prédites par Einstein en 1916 dans sa théorie de la Relativité Générale n'ont pas été détectées de façon directe par la 1ère génération d'interféromètres. Mais aujourd'hui, la sensibilité a été augmentée d'un ordre de grandeur et le 100ème anniversaire de la théorie d'Einstein pourrait bien ouvrir officiellement l'ère de l'astronomie gravitationnelle. Si la sensibilité des nouveaux interféromètres est désormais exceptionnelle, c'est grâce aux avancées techniques et technologiques, et notamment grâce aux nouveaux miroirs des cavités Fabry-Pérot installés dans les bras de l'interféromètre. Cette thèse présente la conception, le développement et la caractérisation de ses miroirs aux qualités exceptionnelles. Elle s'intéresse aux pertes de lumière diffusée dans les cavités, pertes de diffusion générées par l'état de surface des miroirs et par les défauts d'uniformité des dépôts des couches minces à haute réflectivité. En étudiant la planéité des surfaces, nous verrons comment les modifications techniques du procédé de dépôt IBS ont permis d'améliorer la courbure et la planéité des surfaces. Nous verrons comment nous avons caractérisé ces surfaces avec l'interféromètre de Fizeau à décalage de longueur d'ondes. Nous montrerons enfin comment nous avons atteint les spécifications prévues lors de la conception des miroirs, diminuant les pertes de lumière diffusée dans les cavités Fabry-Pérot à un niveau encore inégalé de seulement quelques dizaines de ppm

In the year of 2015 the construction of the 2nd generation of detectors devoted to gravitational waves is going to be completed. These are large laser Michelson interferometers with arm respectively 3 km (Advanced Virgo) and 4 km (Advanced LIGO) in length. The gravitational waves, predicted by Einstein in 1916 within his theory of general relativity, have not been observed by the first generation of detectors. However, interferometers are now on the way of being ten times more sensitive than before, and so, on the 100th anniversary of the establishment of general relativity, the era of gravitational wave astronomy can start. If laser interferometer will be able to reach unprecedented sensitivity, it is thanks to new technological developments. In particular the new state of the art mirrors installed in the interferometer arms have exceptional performances. This thesis details the design, the development and the characterization of these remarkable large mirrors. My work will deal with the cavity optical loss due to the diffused light itself linked to the mirrors surface quality and to the high reflectivity coating uniformity. By studying the surface flatness, we will understand how it could be influenced by the deposition technique implemented in the coating machine. We will see also how to measure the mirror surfaces by wavelength shifting Fizeau interferometer. Finally, we will detail how we proceeded in order to reach the tight specifications for the mirrors, with in the end only tens of ppm for the cavity round trip losses