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

Mitigation of parametric instabilities based on radiation pressure in gravitational wave detectors

• 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
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Gilles Bogaert, François Bondu, Lisa Barsotti, Mathilde Hugbart, Ettore Majorana, Margherita Turconi
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : François Bondu, Lisa Barsotti

Mots clés

Mots clés contrôlés

Interférométrie

Optomécanique

Ondes gravitationnelles

Mots clés libres

Détecteur d’onde gravitationnelle

Instabilité paramétrique

Pression de radiation

Déflection de faisceau

Détection des modes mécaniques

Gravitational wave detectors

Parametric instability

Radiation pressure

Beam deflection

Mechanical mode sensing

Résumé

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.

Direct detection of Gravitational Waves was demonstrated for the first time in 2015 with km-scale Michelson interferometers. In order to reduce the shot noise at high frequency of these detectors high optical power in the arm cavities is needed. At that high circulating power a nonlinear optomechanical phenomenon called parametric instability (PI) may occur that induce the amplification of mirror’s eigenmodes. It limits the optical power and can cause the loss of the interferometer’s control if notmitigated.Several PI mitigation strategies have been proposed and already implemented in current gravitational wave detectors. These schemes keep them working without PI at the current optical power level in the cavities but they are not adapted to PI involving any kind of mechanical mirror modes, which needs to be considered when the optical circulation power is increased further. Next generation detectors aim at increasing their sensitivity of a factor of ten compared to current detectors. This can be achieved, inter alia, through the increase of the optical power in the arm cavities which will imply more PI.In this thesis an active and flexible PI mitigation strategy based on radiation pressure of a movable laser beam is proposed. The idea is to apply a damping force to mitigate PI. Fast beam steering is required to point at different positions of the cavity mirror with a small laser spot during one period of the mechanical mode with frequencies in the kHz-range. A sensitive sensing method is required to detect PI at the level ofthermal excitation.First experimental studies of a table-top setup are presented: rapid beam deflection based on acousto-optic modulators is investigated. A final configuration with 2D arbitrary beam steering with a maximal deflection rate of 10 MHz is demonstrated for a maximal optical power of 3.6 W, corresponding to a radiation pressure force of 24 nN. It satisfies the requirements of the laser beam that should be used as radiation pressure force for our proposed PI damping scheme.Sensing of mechanical mirror modes is investigated with the 2D beam steering system based on a Michelson interferometer. A sensitivity corresponding to a differential arm length change of δL = 4.8 · 10^-14 m/√Hz is achieved for a fixed beam position on the mirror. It is around one order of magnitude higher than the expected displacement of the mirror due to thermally excited mirror modes. Propositions are given to improve the sensitivity of the interferometer and to use the same setup to investigate active damping of mirror modes via radiation pressure.