Thèse soutenue

Atténuation des instabilités paramétriques basée sur la pression de radiation dans les détecteurs d’ondes gravitationnelles

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Auteur / Autrice : Thomas Harder
Direction : Gilles Bogaert
Type : Thèse de doctorat
Discipline(s) : Physique
Date : Soutenance le 28/03/2022
Etablissement(s) : Université Côte d'Azur
Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences fondamentales et appliquées (Nice ; 2000-....)
Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Astrophysique Relativiste Théories Expériences Métrologie Instrumentation Signaux (Nice)
Jury : Président / Présidente : François Bondu
Examinateurs / Examinatrices : Gilles Bogaert, François Bondu, Lisa Barsotti, Mathilde Hugbart, Ettore Majorana, Margherita Turconi
Rapporteurs / Rapporteuses : François Bondu, Lisa Barsotti

Résumé

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La première détection directe des ondes gravitationnelles (OG) a eu lieu en 2015 grâce aux interféromètres, interféromètre de type Michelson à recyclage possédant des cavités Fabry Perot de plusieurs km de longueur dans les bras. Ces cavités permettent une puissance optique élevée, nécessaire pour réduire le bruit de grenaille des détecteurs. Une instabilité paramétrique (IP) est un phénomène optomécanique non linéaire qui transfère une partie de l’énergie du faisceau à un mode propre d’un miroir et à un mode optique d’ordre élevé dont les amplitudes croissent de façon exponentielle. Sans atténuation, l’instabilité fait perdre le contrôle de l’interféromètre.Différentes stratégies d’atténuation les IP ont été proposées et ont été intégrées dans les détecteurs qui ont pu ainsi fonctionner jusqu’au niveau actuel de puissance optique. Pour les détecteurs de prochaine génération, une augmentation de sensibilité d’un facteur dix est visée par rapport aux détecteurs actuels. Une manière d’atteindre ce but consiste à augmenter la puissance optique dans les cavités des bras. Cette augmentation pourrait impliquer plus d’IP, plus difficiles à atténuer.Dans cette thèse nous proposons une méthode active et flexible d’atténuation des IP, qui utilise la pression de radiation d’un faisceau laser dédié. L’idée est d’appliquer une contre pression sur plusieurs points du miroir grâce à un petit faisceau laser, avec des fréquences de dizaine de kHz. A cette fin, la déflection rapide du faisceau est requise. Par ailleurs, il faut être capable de détecter les IP dès leur naissance, au niveau de l’excitation thermique.Cette thèse présente les premières études expérimentales d’un tel système : la déflection rapide basée sur des modulateurs acousto-optiques est explorée. Une fréquence de déflection de 10 MHz en 2D est démontrée. La puissance optique maximale du faisceau dévié est 3,6 W, ce qui correspond à une force de pression de radiation de 24 nN. Ces caractéristiques remplissent les conditions nécessaires.La détection des modes mécaniques d’un miroir est étudiée à l’aide d’un system utilisant un interféromètre de Michelson. La sensibilité obtenue pour un faisceau en position fixe sur le miroir correspond à un changement de longueur de bras de δL = 4.8 · 10^-14 m/√Hz. Cette valeur est environ un ordre de grandeur plus élevée que le déplacement de la surface du miroir due à l’excitation thermique des modes mécaniques. Des propositions sont données pour améliorer la sensibilité de l’interféromètre et pour utiliser ce système pour étudier l’atténuation active des modes propre d’un miroir par la pression de radiation.