Instrumentation for Thermal Noise Spectroscopy

par Richard Pedurand

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Ludovic Bellon et de Gianpietro Cagnoli.

Soutenue le 19-12-2019

à Lyon , dans le cadre de École doctorale de Physique et Astrophysique de Lyon , en partenariat avec Université Claude Bernard (Lyon) (établissement opérateur d'inscription) et de Laboratoire de physique (Lyon) (laboratoire) .

Le président du jury était Anne Pillonnet.

Le jury était composé de Ludovic Bellon, Gianpietro Cagnoli, Serge Galliou, Agnès Piednoir.

Les rapporteurs étaient Innocenzo M. Pinto, Roger Proksch.

  • Titre traduit

    Instrumentation pour la spectroscopie de bruit thermique


  • Résumé

    La résolution des interféromètres gravitationnels est limitée par le mouvement Brownien - ou bruit thermique - de leurs miroirs dans la partie centrale de leur bande de détection, entre 10Hz et 1kHz. La répartition en fréquence de ce bruit thermique est dictée par les mécanismes de dissipation d'énergie mécanique à l'origine de cette vibration aléatoire, en accord avec le théorème fluctuation-dissipation. Cette dissipation provient principalement des revêtements optiques déposés sur les miroirs pour leur donner leur réflectivité. Dans le but de réduire le bruit thermique, une nouvelle génération de détecteurs d'ondes gravitationnelles employant des miroirs refroidis à température cryogénique a été proposée. Le développement de nouveaux matériaux optiques en couche mince à faible dissipation mécanique, opérant à la fois à température ambiante et température cryogénique, demande donc de nouveaux outils expérimentaux. L'objet principal de cette thèse est la construction d'un nouvel instrument, le CryoQPDI, qui consiste en l'association d'un interféromètre haute résolution et d'un cryostat basé sur un refroidisseur pulse tube. Il est capable de mesurer directement le mouvement Brownien d'un microlevier entre 300 K et 7 K. En combinant des mesures effectuées sur un microlevier avant et après le dépôt d'une couche mince, il est possible de caractériser la dissipation mécanique interne de cette couche mince. Cet instrument participera ainsi à l'optimisation des revêtements optiques des futurs interféromètres gravitationnels, dans le but de minimiser les nuisances dues au bruit thermique


  • Résumé

    The resolution limit of gravitational wave interferometers is set by their mirrors' Brownian motion – or thermal noise - in the central part of their detection band, from 10Hz to 1kHz. This thermal noise frequency distribution is given by the mechanical energy dissipation mechanisms it originates from, in agreement with the fluctuation-dissipation theorem. This dissipation mainly derives from the optical coatings deposited on the mirrors to give them their reflectivity. To reduce this thermal noise, a new generation of gravitational wave detectors employing mirrors cooled to cryogenic temperature has been suggested. The development of new optical thin-film materials with low mechanical dissipation, operating at both room and cryogenic temperatures, therefore requires new experimental tools. The main object of this thesis is the construction of a new instrument, the CryoQPDI, which is an association between a high-resolution interferometer and a cryostat based on a pulse tube cooler. It can directly measure the Brownian motion of a microcantilever between 300 K and 7 K. By combining measurements made on a microcantilever before and after the deposition of a thin film, it is possible to characterize the internal mechanical dissipation of this thin film. This instrument will eventually contribute to the optimisation of optical coatings of future gravitational wave detectors, aiming at minimizing the limitations due to thermal noise


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