Caractérisation des défauts ponctuels entraînant de la lumière diffusée dans les miroirs à haute performance pour les détecteurs d'Ondes Gravitationnelles

Characterization of Light Scattering Point Defects in High-Performance Mirrors for Gravitational Wave Detectors

• Auteur / Autrice : Sihem Sayah
• Direction : Viola Sordini, Benoît Sassolas
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique des materiaux et optique
• Date : Soutenance le 01/12/2022
• Etablissement(s) : Lyon 1
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de Physique et Astrophysique de Lyon (Lyon ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de Physique des 2 Infinis de Lyon
• Jury : Président / Présidente : Jules Gascon
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Viola Sordini, Edwige Tournefier, Myriam Zerrad, François Bondu, Karine Masenelli-Varlot
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Edwige Tournefier, Myriam Zerrad

Mots clés

Mots clés contrôlés

Optique -- Instruments

Lumière -- Diffusion

Surfaces -- Propriétés optiques

Ondes gravitationnelles

Mots clés libres

Ondes gravitationnelles

Advanced Virgo

Couches minces

Défauts ponctuels

Lumière diffusée

Instrumentation optique

Miroirs

Advanced

Gravitational waves

Advanced Virgo

Scattering light

Point defects

Thin films

Instrumentation

Mirrors

Advanced LIGO

Résumé

Les miroirs haute réflectivité des détecteurs d'ondes gravitationnelles Advanced LIGO & Advanced Virgo présentent dans le revêtement de nombreux défauts de taille micrométrique qui diffusent la lumière dans l'interféromètre. Cette lumière diffusée induit une perte de puissance du laser de l'ordre de quelques dizaines de parties par million (ppm) et un bruit de phase à cause de la recombinaison avec le faisceau principal après réflexion sur les parois du tube. Ce phénomène limite la sensibilité du détecteur et a un impact sur la capacité à détecter des événements astrophysiques. Une réduction de la lumière diffusée est donc nécessaire afin d'améliorer les performances optiques des revêtements des nouveaux miroirs de l'Advanced LIGO et de la mise à niveau d’Advanced Virgo+. À cette fin, une ligne de recherche dédiée est en cours au LMA depuis 2018. Nous avons étudié les défauts ponctuels dans les deux matériaux utilisés pour les miroirs des détecteurs d’ondes gravitationnelles : le pentoxyde de tantale et la silice séparément avec des monocouches déposées sur des substrats micropolis de silice fondue. Nous avons analysé l'impact de différents paramètres, comme l'épaisseur, ainsi que l'effet d'un recuit post-dépôt sur le nombre de défauts. Les échantillons ont été mesurés avec un système de détection en champ sombre afin d’étudier la densité et la distribution de taille des défauts. Nous avons constaté que même si un matériau présente une densité de défauts beaucoup plus importante, les deux matériaux présentent des similitudes. De plus, nous avons remarqué une amélioration remarquable de la qualité du revêtement grâce au recuit post-dépôt. L’étude a été ensuite portée sur le phénomène de la diffusion en mesurant les échantillons à l’aide du diffusomètre afin de connaître l’impact des défauts et des différents paramètres testés sur la lumière diffusée. Il s’avère que le recuit post-dépôt améliore également la quantité de lumière diffusée qui diminue, mais on ne remarque pas d’effet lié à l’épaisseur du dépôt ou à la densité de défauts. Par ailleurs, afin de comprendre l’impact des défauts avec la lumière diffusée, des simulations optiques d’un cas simple d’un défaut localisé ont été réalisées avec le logiciel COMSOL.

The high reflectivity mirrors of the Advanced LIGO & Advanced Virgo gravitational wave detectors have many micrometer size defects in the coating which scatter the light in the interferometer. This scattered light induces a laser power loss of the order of a few tens of parts per million (ppm) and a phase noise due to recombination with the main beam after reflection on the tube walls. This phenomenon limits the sensitivity of the detector and has an impact on the ability to detect astrophysical events. A reduction of the scattered light is therefore necessary to improve the optical performance of the coatings of the new Advanced LIGO mirrors and of the Advanced Virgo+ upgrade. To this end, a dedicated line of research has been underway at LMA since 2018. We have studied the point defects of the two materials typically used for mirrors coating in gravitational waves experiments: tantalum pentoxide and silica separately with monolayers deposited on micropolished fused silica substrates. We analyzed the impact of different parameters, such as thickness, as well as the effect of post-deposition annealing on the number of defects. The samples were measured with a dark field detection system to study the density and size distribution of the defects. We found that even though one material has a much higher defect density, the two materials have similarities. In addition, we noticed a remarkable improvement in the quality of the coating due to post-deposition annealing.The study was then focused on scattering by measuring the samples with the scatterometer. We assess the impact of the defects and the different parameters on the scattered light. It turns out that the post-deposition annealing also improves the quantity of scattered light which decreases but we do not notice any effect related to the thickness or the density of defects. Moreover, in order to understand the impact of defects on the scattered light, optical simulations of a simple case of a localized defect have been performed with the COMSOL software.