Mirror Coating Thermal Noise Mitigation Using Multi-Spatial Mode Cavity Readout
提出了一种利用多个TEM空间模式读出和稳定激光频率来抑制光学腔中涂层热噪声的方法。最佳权重，我们合成了更广泛的采样的镜面，提高平均布朗热波动。我们显示的热噪声改善因子为1.57，相当于一个标称12米原型腔的MESA光束，和一个因子1.61的改进，在$\textrm{TEM}_{00}$使用三种模式在0.1米的腔的一个实际的实验室实验：相当于冷却镜从室温到120 K。
2022-07-25 physics.ins-det physics.optics
Thermal noise and mechanical loss of SiO$_2$/Ta$_2$O$_5$ optical coatings at cryogenic temperatures
介质镜涂层的机械损耗为引力波探测器和原子钟的腔稳定光学本振器设置了基本限制。两种方法被用来确定的机械损失：振铃测量涂层品质因数和涂层热噪声的直接测量。在这里，我们报告了一个系统的研究，从室温到4 K的反射镜的热噪声在这些温度下操作的参考腔。直接测量的热噪声被用来提取相应的SiO $_2$ /Ta $_2$ O $_5$涂层的机械损耗，这与以前报道的值进行了比较。
2020-11-11 physics.atom-ph physics.ins-det physics.optics
Brownian Thermal Noise in Multilayer Coated Mirrors
我们分析了布朗热噪声的多层介质涂层，用于高精度的光学测量，包括干涉引力波探测器。我们假设涂层材料是各向同性的，因此研究热噪声所产生的剪切和散装损失的涂层材料。我们发现，涂层噪声不仅来自层厚度波动，但也从波动的涂层和基板之间的界面，由内部波动应力的涂层。另外，薄膜的非零光弹性系数修正了热噪声对激光场的影响。不同层的厚度波动是统计独立的，然而，存在着有限的层之间的相干性和基板-涂层界面。考虑到材料参数的不确定性，我们发现，在估计涂层布朗噪声仍然存在显着的不确定性。
2012-07-25 gr-qc physics.ins-det physics.optics
The Study of Thermal Fluctuations in Microwave and Mechanical Resonators
University of Western Australia（西澳大学）
本研究通过双通道读出系统提高了微波和机械谐振器中热噪声峰的对比度，为暗物质探测提供了新的技术手段。
2025-07-15 physics.ins-det
High-accuracy numerical models of Brownian thermal noise in thin mirror coatings
本文利用开源 SpECTRE 代码和不连续 Galerkin 方法高效高精度地模拟薄镜面涂层中的布朗热噪声，并首次对多个亚波长晶体涂层进行数值建模，为优化引力波探测器镜面设计提供指导。
2023-07-11 astro-ph.IM gr-qc physics.comp-ph
Optical and mechanical properties of ion-beam-sputtered MgF$_2$ thin films for gravitational-wave interferometers
与高反射涂层相关的布朗热噪声是几个精密实验的基本限制，包括引力波探测器。目前正在进行研究，以寻找具有低热噪声的涂层，同时满足严格的光学要求，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氟化镁薄膜，我们讨论了这样的涂层在当前和未来的引力波探测器的应用。
2022-03-24 physics.ins-det
Uncooled Thermal Infrared Detection Near the Fundamental Limit Using a Nanomechanical Resonator with a Broadband Absorber
本文提出一种基于氮化硅纳米光机械谐振器和铂薄膜宽带吸收器的非制冷热红外探测器，实验表明1 mm谐振器实现NEP=27 pW/sqrt(Hz)和D*=3.8e9 cm sqrt(Hz)/W，接近理论极限并覆盖近红外至远红外。
2025-01-08 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
Cryogenic Mechanical Loss of GaAs/AlGaAs Crystalline Coatings
Syracuse University（雪城大学）；Cardiff University（卡迪夫大学）；Hobart William Smith Colleges（霍巴特威廉史密斯学院）；California Institute of Technology（加州理工学院）；University of Arizona（亚利桑那大学）
该研究针对用于引力波探测器的GaAs/AlGaAs高反射镜涂层，采用低温多模态柔性节点悬挂系统首次测量其低温机械损耗，为理解涂层热噪声的基本损耗机制提供了关键实验依据。
2026-08-25 astro-ph.IM gr-qc physics.ins-det
Measurements of mechanical thermal noise and energy dissipation in optical dielectric coatings
近年来，越来越多的设备和实验表明，机械热噪声的限制。特别是亚赫兹激光频率稳定和引力波探测器，能够测量1 E-18 m/rtHz或更小的波动，受到沉积在反射镜上的电介质涂层中的热噪声的限制。本文提出了一种测量微悬臂梁上低吸收介质膜热噪声的新方法，并与机械损耗测量结果进行了比较。涂层热噪声是在最宽的频率范围内测量的，具有有史以来最高的信噪比。此外，我们提出了一种新的技术来推断涂层的机械损耗的机械品质因数的测量，它不依赖于知识的涂层和基板的杨氏模量。电介质涂层是通过离子束溅射沉积的。本文给出的结果给出了（4.70 $\pm$ 0.2）× 1 E-4的与频率无关的损耗角，退火钽从10 Hz到20 kHz的杨氏模量为118 GPa。对于沉积态二氧化硅，在该频率范围内观察到弱的频率依赖性（~ f^{-0.025}），在16 kHz下杨氏模量为70 GPa，内阻尼为（6.0 $\pm$ 0.3）× 1 E-4，但该值在退火后减小一个数量级，并且频率依赖性消失。
2014-03-10 astro-ph.IM cond-mat.mtrl-sci cond-mat.stat-mech
A Study of Cooling Time Reduction of Interferometric Cryogenic Gravitational Wave Detectors Using a High-Emissivity Coating
在干涉低温引力波探测器中，有计划冷却反射镜及其悬挂系统（有效载荷），以减少热噪声，即基本噪声源之一。由于大的有效载荷质量（总共几百公斤）和它们的热隔离，需要几个月的冷却时间。计算结果表明，高辐射率涂层（如类金刚石（DLC）涂层）可以通过增强辐射传热有效地减少冷却时间。在这里，我们已经通过实验验证了DLC涂层对减少冷却时间的影响。
2013-09-19 astro-ph.IM gr-qc physics.ins-det
Low thermal noise mirror coatings utilising titanium dioxide and germanium dioxide mixtures
针对地面引力波天文台升级对低热噪声反射镜涂层的需求，本研究制备了以TiO₂:GeO₂为高折射率层、SiO₂为低折射率层的多层涂层，其热噪声较现有涂层降低25%且光吸收低于1ppm，为提升探测器灵敏度提供了新途径。
2025-02-11 cond-mat.mtrl-sci physics.ins-det physics.optics
Brownian thermal birefringent noise due to non-diagonal anisotropic photoelastic effect in multilayer coated mirrors
本文研究晶体镀膜反射镜中由非对角各向异性光弹效应导致的布朗热双折射噪声，基于标准表面模型计算其NABP噪声频谱，并指出其可能限制偏振信号精密谐振腔实验的灵敏度。
2024-06-30 physics.ins-det physics.optics
Comprehensive study of amorphous metal oxide and Ta$_2$O$_5$-based mixed oxide coatings for gravitational-wave detectors
现有干涉型引力波探测器的高精细度光学腔的灵敏度受到激光量子噪声和涂层热噪声的限制。热噪声与构成干涉仪测试质量的材料中的内能耗散有关。由于问题的复杂性和缺乏跨越大范围材料的研究，我们对内部摩擦如何与非晶材料结构联系在一起的理解是有限的。我们提出了一个系统的研究非晶金属氧化物和Ta $_2$ O $_5$为基础的混合氧化物涂层，以评估其适用于低布朗噪声实验。结果表明，金属氧化物的机械损耗与它们的非晶形态有关，连续的无规网络材料如SiO $_2$和GeO $_2$具有最低的损耗角。我们评估了不同的Ta $_2$ O $_5$基混合氧化物薄膜，并研究了掺杂剂对涂层的光学和弹性性能的影响。我们估计了与采用每种混合氧化物作为高折射率材料的高反射率多层堆叠相关的热噪声。我们的结论是，目前的高折射率材料的TiO $_2$掺杂的Ta $_2$ O $_5$是最佳的选择，以降低热噪声之间的Ta $_2$ O $_5$基混合氧化物涂层与低掺杂浓度。
2021-08-04 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph 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
Giant enhancement in the thermal responsivity of microelectromechanical resonators by internal mode coupling
我们报告了一个巨大的增强的热响应度的双钳位GaAs微机电（MEMS）梁谐振器通过使用内模耦合效应。这是通过将MEMS梁谐振器的基本弯曲模式与基本扭转模式通过立方Duffing非线性耦合来实现的。在模式耦合机制中，我们已经发现，当MEMS谐振器的输入热以特定频率调制时，由加热引起的谐振频率偏移可以增强几乎两个数量级。所观察到的效果是有希望实现高灵敏度的热传感，通过使用MEMS谐振器，如超灵敏的太赫兹检测在室温下。
2020-06-15 cond-mat.mes-hall physics.ins-det
High-Reflection Coatings for Gravitational-Wave Detectors: State of The Art and Future Developments
我们报告先进LIGO，先进处女座和KAGRA引力波探测器的溅射涂层材料的光学，机械和结构表征。我们目前的最新成果，我们的研究计划，旨在降低涂层的热噪声，通过掺杂，优化沉积参数和沉积后退火。最后，我们提出溅射氮化硅作为未来探测器的反射镜的候选材料。
2017-12-14 physics.app-ph 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
Thermal IR detection with nanoelectromechanical silicon nitride trampoline resonators
纳机电（NEMS）谐振器是有前途的非制冷热红外（IR）探测器，以克服现有的灵敏度限制。在这里，我们研究了由氮化硅（SiN）制成的纳米机电蹦床谐振器作为热红外探测器。与最先进的SiN鼓相比，蹦床具有超过两个数量级的增强响应性。其特征在于NEMS蹦床红外探测器产生的灵敏度在7 pW/ $\sqrt{Hz}$的噪声等效功率（NEP）和低至4 ms的热响应时间。检测器区域具有阻抗匹配的金属薄膜吸收器，在整个中红外光谱范围内从1 $μm$到25 $μm$的光谱平坦吸收为50%。
2022-01-10 physics.app-ph physics.ins-det
Effect of heat treatment on mechanical dissipation in Ta$_2$O$_5$ coatings
介电反射涂层中机械耗散引起的热噪声预计将严重限制精密测量系统的灵敏度，例如高分辨率光谱学、光学频率标准和未来几代干涉式引力波探测器。在11 K ~ 300 K温度范围内，测量了沉积后热处理对离子束溅射五氧化二钽机械损耗随温度变化的影响.我们发现的温度依赖性的耗散是强烈依赖于进行热处理的温度，我们已经确定了三个耗散峰发生在不同的热处理温度。在低于200 K的温度下，发现损失的幅度随着热处理温度的升高而增加，这表明热处理是确定涂层热噪声水平的重要因素。
2010-10-04 gr-qc physics.ins-det
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
Mechanical loss in state-of-the-art amorphous optical coatings
我们提出了许多不同的高品质的光学涂层的离子束溅射二氧化钛掺杂tantala和二氧化硅，最初开发的干涉引力波探测器的机械特性的结果。我们的数据表明，在多层堆叠（如高反射布拉格镜，例如）测量的涂层耗散系统高于预期，并与样品中的应力条件相关。这对于目前先进的引力波干涉仪的噪声预算，以及更一般地，对于涉及热噪声限制的光学腔的任何实验，具有特别的相关性。
2016-01-21 physics.ins-det physics.optics
Dissipation of micro-cantilevers as a function of air pressure and metallic coating
在这封信中，我们表征的内部耗散涂层微悬臂梁通过其机械热噪声。利用自制的干涉仪装置，我们在测量它们的偏转时获得了低至1 E-14 m/rtHz的分辨率。利用波动耗散定理和Kramers-Kronig关系，从测量的噪声谱中重建了完整的机械响应函数，并研究了随频率变化的耗散随气压和金属涂层性质的变化。利用不同厚度的金涂层，我们讨论了内部粘弹性阻尼的来源。
2011-10-30 cond-mat.mtrl-sci physics.class-ph physics.ins-det
Demonstrating the thermal noise limit in a backaction-free bulk acoustic wave resonator chain for gravitational wave detection
Università degli Studi di Milano Bicocca（米兰比可卡大学）；INFN, Sezione di Milano-Bicocca（意大利国家核物理研究所米兰-比可卡分部）
该研究表征了BAUSCIA高频引力波天线，证明在亚开尔文温度下热噪声主导噪声预算，并推导出5-20 MHz频率下应变灵敏度，天线已准备进入试点运行。
2026-09-15 gr-qc physics.ins-det
Mathematical model of thermal shields for long-term stability optical resonators
现代实验旨在测试基础物理，如测量引力波或以前所未有的精度测试洛伦兹不变性，需要长时间高度稳定的热环境。为了实现这种稳定性，通常包括光学谐振器的实验被嵌套在热外壳中，该热外壳被动地将外部温度波动衰减到可接受的水平。这些热屏蔽通常使用繁琐的数值模拟或简单的分析模型来设计。在本文中，我们提出了一个准确的分析方法来估计被动热屏蔽的性能在频域中，它允许快速评估和优化。模型分析还揭示了屏蔽的有趣特性，例如在某些材料和几何形状组合下某些频率的传递函数的下降。我们验证的结果进行比较，与商业软件的有限元方法的基础上进行的数值模拟。
2015-09-25 gr-qc physics.ins-det physics.optics
