Amorphous optical coatings of present gravitational-wave interferometers
我们报告的结果，一个广泛的运动的光学和机械特性的离子束溅射氧化层（Ta $_2$ O $_5$、TiO $_2$、Ta $_2$ O $_5$ -TiO $_2$、SiO $_2$）在Advanced LIGO、Advanced Virgo和KAGRA引力波探测器的高反射涂层内：测量了折射率、厚度、光吸收、组成、密度、内摩擦和弹性常数;评估了沉积速率和沉积后退火对涂层内摩擦的影响。对于Ta $_2$ O $_5$和SiO $_2$层，涂层的内耗随沉积速率的增加而增加，而退火处理消除或大大减小了具有不同沉积历史的样品之间的间隙。对于Ta $_2$ O $_5$ -TiO $_2$层，由于TiO $_2$掺杂引起的内耗的降低只有在与退火相结合时才变得有效.所有测量的样品显示出内摩擦对频率的弱依赖性（$ϕ_c(f) = af^{b}$，其中$-0.208 < b < 0.140$取决于所考虑的涂层材料）。SiO $_2$薄膜表现出模式依赖的损耗分支，这可能是由于在样品的涂覆边缘处的寄生损耗。高级LIGO和高级Virgo输入（ITM）和末端（ETM）反射镜HR涂层的参考损耗值已通过使用我们的Ta $_2$ O $_5$ -TiO $_2$层的杨氏模量估计值（120 GPa）进行了更新，并且比以前的估计高出约10%。
2019-09-09 cond-mat.mtrl-sci physics.ins-det
Advanced LIGO
先进的LIGO引力波探测器是为位于华盛顿州汉福德和洛杉矶利文斯顿的两个LIGO天文台设计和建造的第二代仪器。这两台仪器在设计上完全相同，是一台臂长4公里的迈克耳孙干涉仪的专门版本。与最初的LIGO一样，臂中使用法布里-珀罗腔以增加与引力波的相互作用时间，并使用功率回收来增加有效激光功率。Advanced LIGO中增加了信号回收，以提高频率响应。在100 Hz附近的最敏感频率区域，设计应变灵敏度是初始LIGO的10倍。此外，灵敏度带的低频端从40 Hz向下移动到10 Hz。所有的干涉仪组件都被改进的技术所取代，以实现这种灵敏度增益。更好的地震隔离和测试质量悬挂是低频增益的原因。较高的激光功率、较大的测试质量和改进的反射镜涂层导致中高频灵敏度的提高。计划于2015年年中开始使用这些新仪器收集数据。
2014-11-17 astro-ph.IM gr-qc physics.ins-det
Optical and mechanical properties of ion-beam-sputtered Nb$_2$O$_5$ and TiO$_2$-Nb$_2$O$_5$ thin films for gravitational-wave interferometers
与高反射镜涂层相关的布朗热噪声是包括引力波探测器在内的一些精密实验的基本限制。最近，全世界都在努力寻找具有改善的热噪声特性的反射镜涂层，这些反射镜涂层还满足严格的光学要求，例如低吸收和散射。我们报告的光学和机械性能的离子束溅射氧化铌和氧化钛-氧化铌薄膜，我们讨论了这种涂层在当前和未来的引力波探测器的应用。我们还报告了一个更新的直接涂层热噪声测量的高级LIGO和先进的处女座中使用的HR涂层。
2021-01-06 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph physics.ins-det
Photo-Thermal Transfer Function of Dielectric Mirrors for Precision Measurements
以膜系设计为输入，计算了入射到介质镜上的吸收功率到有效反射镜位置的光热传递函数。的效果被发现改变对应于扩散长度的涂层厚度的频率的振幅和符号。计算了Advanced LIGO中使用的$Ti$掺杂的${\rm Ta_2O_5:SiO_2}$涂层和结晶${\rm Al_xGa_{1-x}As}$涂层的传递函数。在高频率下的传递函数的形状被示出是有效吸收深度的敏感指标，提供了一个潜在的强大的工具，以区分涂层内部吸收与表面污染相关的吸收。光热效应的符号变化也可以用于稳定基于辐射压力的光机械系统。还提供了对先前公布的热光噪声估计的高频校正。最后，估计质量的热光噪声消除发生在微调${\rm Al_xGa_{1-x}As}$涂层需要详细的热流分析，本文完成。
2015-01-07 gr-qc physics.ins-det physics.optics
Effect of Optical Coating and Surface Treatments on Mechanical Loss in Fused Silica
我们报告的机械损失，在熔融石英样品与各种表面处理，并比较它们与样品具有光学涂层。温和的表面处理，如洗涤剂或丙酮洗涤，没有发现会影响储存在空气中的火焰拉制熔融石英纤维的机械损耗。然而，机械接触（与钢卡钳）大大增加了损失。用于LIGO测试质量的类型的高反射光学涂层的应用被发现大大增加了商业抛光的熔融石英显微镜载玻片的机械损失。我们讨论了干涉仪的噪声预算的影响。
2000-05-31 physics.gen-ph physics.ins-det
High quality factor mg-scale silicon mechanical resonators for 3-mode optoacoustic parametric amplifiers
毫克级谐振器已被证明适合于创建3模式光声参量放大器，基于先进的引力波探测器首次预测的现象。为了实现实用的光声参量放大，需要高品质因数的谐振器。我们提出了毫米级硅谐振器，其设计表现出频率在10^5 - 10^6 Hz范围内的扭转振动模式，用于在紧凑的桌面系统中观察3模式光声相互作用。我们的设计结合了一个隔离阶段，并最大限度地减少了光学涂层的声学损失。在室温和10^-3 Pa的压力下，我们观察到模式频率为401.5 kHz时的品质因数为7.5 x 10^5。我们通过映射谐振器的振幅响应并与有限元建模进行比较来确认模式形状。本研究有助于发展三模光声参量放大器，用于新型高灵敏度信号传感器和量子测量实验。
2013-03-25 physics.ins-det physics.optics
Optical layout for a 10m Fabry-Pérot Michelson interferometer with tunable stability
高精度干涉测量的灵敏度会受到介质镜涂层内布朗噪声的限制。例如，这发生在引力波探测器的光学谐振器中，其中可以通过增加激光束尺寸来降低噪声。然而，谐振腔的稳定性及其光学性能通常对最大可行光束尺寸施加限制。本文描述了一台10 μ m可调谐法布里-珀罗迈克耳孙干涉仪的光学设计。我们的设计将使我们能够进行初始调试与臂腔的高稳定性，而之后的臂腔长度可以逐步增加到最终的，边缘稳定的配置。只需要最小的硬件变化，相对于一个可比较的“静态”布局，所提出的技术不仅使我们能够探索与现实的镜子表现出不可避免的表面缺陷的光学谐振腔的稳定性限制，但也有机会测量涂层布朗噪声的频率低至几百赫兹。详细的可调谐干涉仪的光学设计和要求的光学元件来自鲁棒性评估。
2011-12-08 physics.ins-det physics.optics quant-ph
Numerically modeling Brownian thermal noise in amorphous and crystalline thin coatings
热噪声预计将成为限制高级LIGO（一旦调试完成）和第三代探测器的天体物理范围的噪声源之一。采用晶体材料作为薄的反射镜涂层，而不是当前一代探测器中使用的非晶涂层，可能会降低热噪声。了解和降低热噪声需要精确的理论模型，但对晶体材料进行热噪声分析建模尤其具有挑战性。热噪声模型通常依赖于波动耗散定理，该定理将热噪声的功率谱密度与辅助弹性问题相关联。在本文中，我们提出了一个新的，开源的工具，数值解决了辅助弹性问题，计算布朗热噪声的非晶和结晶涂层的结果。我们采用开源框架来解决辅助弹性问题，使用有限元方法，自适应网格细化和并行处理，使我们能够使用能够解决薄反射涂层的高分辨率。我们比较与非晶材料的近似解析解，我们验证了我们的解决方案的规模如预期。最后，我们在Cole和合作者（2013）报告的实验中对结晶涂层热噪声进行了建模，将我们的结果与将涂层视为“有效非晶”材料的更简单的数值计算进行了比较。我们发现，处理涂层作为一个立方晶体，而不是作为一个有效的非晶材料增加了约3%的热噪声。我们的研究结果是朝着更好地理解和减少热噪声迈出的一步，以增加未来引力波探测器的覆盖范围。（摘要略）
2017-07-24 gr-qc physics.ins-det
Precision requirements and innovative manufacturing for ultrahigh precision laser interferometry of gravitational-wave astronomy
随着LIGO宣布首次直接探测到引力波（GW），GW天文学正式进入我们的时代。经过一百年的理论研究和五十年的实验努力，这不仅是物理学和天文学的历史里程碑，也是工业和制造业的历史里程碑。工业的挑战和机遇是大尺寸的精密和创新制造-生产大型和均匀的光学元件，大型元件的光学诊断，大型反射镜上的高反射率介电涂层，大容量真空器件的制造，高衰减振动隔离系统的制造，高功率高稳定性单频激光器的生产，高分辨率定位系统的生产等。在这次演讲中，我们解决的要求和方法，以满足这些要求。大型光学元件的光学诊断需要大型相移干涉仪，用于LIGO光学系统测试的1.06 μm相移干涉仪就是一个例子。高质量的反射镜是激光干涉GW检测、环形激光陀螺仪、高精度激光腔稳定、量子光力学、腔量子电动力学和真空双折射测量的关键。对基材材料和涂覆方法有严格的要求。对于低温GW干涉仪，需要在蓝宝石或硅上适当的涂层以获得良好的热性能和均匀性。需要大的可调真空元件和高衰减振动系统以及有效的计量系统，并将予以解决。在空间干涉测量中，无阻力技术已经比较成熟，弱光锁相技术已经在实验室中得到验证，但弱光操控技术仍有待发展。
2016-10-11 astro-ph.IM gr-qc physics.ins-det
Parametric instabilities in the LCGT arm cavity
对日本干涉型引力波探测器计划（LCGT）臂腔的参数不稳定性进行了评估。LCGT的不稳定模式的数量比Advanced LIGO（美国）少10倍。由于LCGT的不稳定性强度对反射镜曲率的依赖性比AdvancedLIGO弱，因此对反射镜曲率精度的要求更容易达到。LCGT和Advanced LIGO之间参数不稳定性的差异是由于热噪声降低方法（LCGT，冷却蓝宝石镜; Advanced LIGO，具有更大激光束的熔融石英镜），这是项目的主要策略。通过筒体表面（0.2 mm厚度Ta $_2$ O $_5$）涂层的弹性Q减小对于抑制LCGT臂腔中的不稳定性是有效的。因此，低温干涉仪是一个聪明的解决方案，除了热噪声和热透镜的参数不稳定性。
2008-05-15 gr-qc physics.ins-det
Low mechanical loss TiO$_2$:GeO$_2$ coatings for reduced thermal noise in Gravitational Wave Interferometers
当前和计划中的引力波干涉探测器的灵敏度在100 Hz左右的最关键频率区域受到量子噪声和热噪声的限制。后者主要是布朗噪声：热运动起源于弹性能量耗散中使用的干涉仪反射镜的电介质涂层。能量耗散是以机械损耗角为特征的材料特性。我们已经鉴定出二氧化钛（TiO $_2$）和二氧化锗（GeO $_2$）的混合物，其显示出1 $\times 10^{-4}$水平的内部耗散，该水平低到足以提供相对于现有技术材料的布朗噪声水平的几乎两倍的改进。我们表明，通过使用44%的TiO $_2$和56%的GeO $_2$在干涉仪反射镜的高折射率层的混合物，它将有可能实现符合设计要求的热噪声水平。这些结果是生产满足Advanced LIGO和Virgo探测器计划升级的热噪声要求所需的反射镜的关键一步。
2021-08-13 cond-mat.mtrl-sci gr-qc physics.ins-det
Gravitational wave detectors with broadband high frequency sensitivity
引力波探测器在螺旋阶段观测到了中子星合并GW 170817，但1-5 kHz波段的灵敏度不足以观测到合并本身的预期核物质特征，以及黑洞形成的过程。这为改进1- 5 kHz灵敏度提供了强有力的动机，该灵敏度目前受到光子散粒散粒噪声的限制。通过信号再循环的谐振增强通常以带宽为代价来提高信噪比。光机械白光信号回收（WLSR）的概念已经提出，但迄今为止所有的方案都依赖于合适的超低机械损耗组件的开发。在这里，我们第一次展示了光机械谐振器结构，满足WLSR干涉仪的损失要求，应变灵敏度低于10 $^{-24}$ Hz $^{-1/2}$在几kHz。两个谐振器的实验数据相结合的4公里干涉仪类似于LIGO的分析模型，以证明灵敏度增强跨更宽的频带的中子星合并频率比双回收法布里-珀罗迈克尔逊探测器相同的长度。一种候选谐振器是通过声子晶体与环境声学隔离的氮化硅膜。另一种是支持体声波纵波的单晶石英透镜。光功率要求可以优选膜谐振器，尽管体声波谐振器给出稍微更好的热噪声性能。两者都可以作为现有检测器的附加组件来实现。
2020-07-17 astro-ph.IM physics.ins-det physics.optics
Coherent photo-thermal noise cancellation in a dual-wavelength optical cavity for narrow-linewidth laser frequency stabilisation
本研究将729 nm和1069 nm激光稳定到同一双波长光学腔，实验测定了残余幅度调制和光热噪声，发现两束激光的PTN存在相关性并观察到1069 nm涂层PTN的相干消除，最终实现了接近热噪声极限的频率稳定性。
2023-11-20 physics.ins-det physics.optics
Stable, mode-matched, medium-finesse optical cavity incorporating a microcantilever mirror
一个稳定的光学谐振腔已建成使用30微米宽，金属涂层的微悬臂梁作为一个反射镜。第二反射镜是直径为12.7 mm的凹面介质反射镜。通过将两个反射镜以近半球形配置相距75 mm定位，实现了具有等于55的精细度的法布里-珀罗腔。这种精细度受到悬臂金属涂层中的光学损耗的限制;来自小镜子的衍射损耗可以忽略不计。该腔实现了悬臂梁布朗运动的被动激光冷却。
2006-05-16 physics.ins-det physics.optics
Mitigation of parasitic losses in the quadrupole resonator enabling direct measurements of low residual resistances of SRF samples
四极谐振器（QPR）是一种专用的样品测试腔，用于在宽的温度、RF场和频率范围内对超导样品进行RF表征。它的主要用途是高分辨率测量表面电阻，由于第一工作四极模式的低频，可以直接获得残余电阻。除了众所周知的高分辨率的QPR，偏置的测量数据向更高的值已被观察到，特别是在高次谐波四极模。数值研究表明，这可以解释为寄生的RF损耗的适配器法兰用于安装样品到QPR。在暴露于RF场的不锈钢凸缘的那些表面上涂覆几微米的铌显著地降低了这种偏置，使得能够在2 K和413 MHz下直接测量小于5 n $Ω$的残余电阻。基于模拟的恒定校正是不可行的，因为从一个测量到另一个测量存在偏差。然而，鉴于这些新结果，这个问题得到了解决。
2021-10-27 physics.acc-ph physics.ins-det
Development of ion-beam sputtered silicon nitride thin films for low-noise mirror coatings of gravitational-wave detectors
本文通过系统优化离子束溅射参数开发出低损耗氮化硅薄膜，其损耗角创同类最低纪录，并用于设计多材料镜面涂层，使热噪声比Advanced LIGO和Advanced Virgo现有涂层降低25%。
2025-02-10 physics.ins-det
Quantum correlation measurements in interferometric gravitational wave detectors
光的相位和振幅求积中的量子涨落限制了现代光学仪器的灵敏度。干涉型引力波探测器，如先进激光干涉引力波天文台（LIGO）的灵敏度受到量子散粒噪声，量子辐射压力噪声和一组经典噪声的限制。我们展示了如何光的量子特性可以用来区分这些噪声使用相关技术。特别是，在本文的第一部分中，我们显示涂层的热噪声和气相噪声的估计，隐藏在先进的LIGO灵敏度曲线的量子散粒噪声。我们还对观测站在下一次科学运行中的灵敏度进行了预测。第二部分讨论了从经典噪声和散粒噪声散粒噪声背景中揭示量子辐射压力噪声的相关技术。我们将这种技术应用于第一次科学运行期间收集的高级LIGO数据，并首次通过实验估计了干涉仪中的量子相关性和量子辐射压力噪声。
2017-02-10 astro-ph.IM physics.ins-det physics.optics
Cryogenic suspension design for a kilometer-scale gravitational-wave detector
本文报道了大型低温引力波望远镜KAGRA第一阶段的反射镜悬挂设计。镜面热噪声是Advanced LIGO和Advanced Virgo等室温引力波探测器的基本噪声之一。因此，为了进一步提高它们的灵敏度，需要降低热噪声。降低热噪声的一种有效方法是冷却反射镜。冷却反射镜必须克服许多技术挑战，例如低温冷却器引起的振动、悬架中的热漂移以及由于潜在故障机制数量增加而导致的占空比降低。我们的反光镜悬架有一个黑色涂层，使辐射冷却更有效。对于传导冷却，我们开发了超高纯度铝热链，它在保持足够小的弹性常数的同时，还具有高导热性。一个独特的倾斜调整系统，称为移动质量，用于调整反射镜的俯仰方向。采用大量程光反射位移传感器对提线车后坐质量和中间后坐质量进行阻尼控制。钐钴磁体用于线圈磁体致动器，以防止室温和低温之间的磁性发生显著变化。在本文中，我们的第一个低温有效载荷的设计和它的性能在bKAGRA阶段1进行了讨论。
2021-01-25 physics.ins-det
Point Absorber Limits to Future Gravitational-Wave Detectors
高质量的光学谐振腔需要低的光学损耗，通常在百万分之几的尺度上。然而，吸收在腔中循环的光的谐振器反射镜上的非预期的微米级污染物可以使表面热弹性变形，并且因此通过将光散射出谐振模式而增加损耗。点吸收体效应是一些高功率腔实验的限制因素，例如，高级LIGO引力波探测器。在这封信中，我们提出了一个一般的方法，从第一原理的点吸收体效应，并模拟其贡献增加散射。在不同的点吸收器配置的统计计算当前和未来的引力波探测器可实现的循环功率。我们的配方进一步证实了实验比较先进LIGO的臂腔中的散射功率在原位光电二极管测量。这里提出的理解提供了一个重要的工具，在全球努力设计未来的引力波探测器，支持高的光功率，从而减少量子噪声。
2021-09-17 astro-ph.IM physics.ins-det
