Études optiques et de bruit pour Advanced Virgo et cavités de filtrage pour la réduction du bruit quantique dans les détecteurs interférométriques d’ondes gravitationnelles

Optical and noise studies for Advanced Virgo and filter cavities for quantum noise reduction in gravitational-wave interferometric detectors

• Auteur / Autrice : Eleonora Capocasa
• Direction : Matteo Barsuglia, Raffaele Flaminio
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique. Physique de l'Univers
• Date : Soutenance le 13/11/2017
• Etablissement(s) : Sorbonne Paris Cité
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la terre et de l'environnement et physique de l'univers (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : AstroParticule et Cosmologie (Paris ; 2005-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation : Université Paris Diderot - Paris 7 (1970-2019)
• Jury : Président / Présidente : Danièle Steer
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Matteo Barsuglia, Raffaele Flaminio, Danièle Steer, Antoine Heidmann, David Shoemaker, Giovanni Losurdo
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Antoine Heidmann, David Shoemaker

Mots clés

Mots clés contrôlés

Bruit de grenaille

Stabilité de fréquence

Résonateurs optiques

Fabry-Pérot, Interféromètres de

Ondes gravitationnelles

Capteurs optiques

Mots clés libres

Astronomie gravitationnelle

Advanced Virgo

Lumière squeezed dépendante de la fréquence

Gravitational astronomy

Advanced Virgo

Frequency dependent squeezing

Gravitational waves detection

Interferometers

Optical cavities

Laser frequency stabilization

Quantum noise

Filter cavities

Résumé

L'astronomie gravitationnelle a débuté en septembre 2015 avec la première détection de la fusion de deux trous noirs par LIGO. Depuis lors, plusieurs fusions de trous noirs et une fusion d'étoiles à neutrons ont été observées. Advanced Virgo a rejoint les deux observatoires LIGO dans la prise de données en août 2017, augmentant fortement les capacités de localisation du réseau. Afin d'exploiter pleinement le potentiel scientifique de ce nouveau domaine, un énorme effort expérimental est nécessaire pour améliorer la sensibilité des interféromètres. Cette thèse, développée dans ce contexte, est composée de deux parties. La première concerne Advanced Virgo : nous avons développé un budget de bruit automatique pour le bruit de fréquence du laser et nous avons effectué des mesures de caractérisation optique pour les cavités de bras kilométriques. Des pertes aller-retour aussi faibles que 80 ppm ont été mesurées. Elles sont parmi les plus basses jamais mesurées avec un faisceau de cette taille. La deuxième partie concerne la conception et le développement d'une cavité de filtrage de 300 m, un prototype pour démontrer la production de lumière squeezing dépendante de la fréquence avec les propriétés nécessaires pour une réduction du bruit quantique à large bande dans KAGRA, Advanced Virgo et Advanced LIGO. Nous avons contribué à la fois aux phases de conception et d'intégration du projet. Nous avons d'abord fait le design optique de la cavité, y compris les spécifications pour l'optique de la cavité et une estimation détaillée des sources de dégradation pour le squeezing. Nous avons donc développé un système de contrôle pour les miroirs, assemblé les suspensions et finalement aligné et mis la cavité en résonance avec la lumière laser

Gravitational wave astronomy has started in September 2015 with the first detection of a binary black-hole merger by LIGO. Since then, several black-hole mergers and a binary neutron star merger have been observed. Advanced Virgo joined the two LIGO detector in the observation run, in August 2017, highly increasing the localization capabilities of the network. In order to fully exploit the scientific potential of this new-born field, a huge experimental effort is needed to bring the instruments at their design sensitivity and to further improve them. This thesis, developed in this context, it is composed of two parts. The first is about Advanced Virgo: we have developed an automatic noise budget for the laser frequency noise and we have performed optical characterization measurements for the kilometric arm cavities. Round trip Losses as low as 80 ppm have been measured. They are among the lowest ever measured for beams of these size. The second part is about the design and development of a 300 m filter cavity, a prototype to demonstrate the frequency dependent squeezing production with properties needed for a broadband quantum noise reduction in the future upgrades of KAGRA, Advanced Virgo and Advanced LIGO. We have contributed to the design and integration phases of the project. We have first made the optical design of the cavity, including the the specifications for the main cavity optics and a detailed estimation of the squeezing degradation sources. We have then developed a local control system for the mirrors, assembled the suspensions, and finally aligned and brought the cavity in resonance with the laser light