維爾戈干涉儀儀器擋板的粗糙度表征

閱讀：338 發(fā)布時間：2024-5-14

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維爾戈干涉儀儀器擋板的粗糙度表征

Sensofar被選擇執(zhí)行這些測量任務(wù)，因為他們在這方面有專業(yè)知識和易于接觸的特點

引力波是時空織物中的波動。當(dāng)重要的宇宙事件如超新星爆炸或黑洞之間的相互作用發(fā)生時，所產(chǎn)生的引力波可以在地球上被探測到。經(jīng)過50年的科學(xué)研究和技術(shù)發(fā)展，我們已經(jīng)能夠感知引力波。

先進維爾戈是一個巨大的邁克爾遜干涉儀，能夠探測到引力波（圖1）。它有兩條垂直的長達3公里的臂，懸掛的鏡子和其他必要的儀器來組成一個干涉儀。引力波通過懸掛的鏡子的運動來改變光束的光學(xué)路徑。光學(xué)路徑隨之改變，形成了干涉圖樣。

圖1. 先進維爾戈探測器的圖片。由EGO Virgo提供。

巴塞羅那高能物理研究所（IFAE）為先進維爾戈開發(fā)了一種新型的儀器擋板。該擋板已經(jīng)安裝在輸入模式凈化器（IMC）腔的端鏡前（圖2）。它的目的是吸收到達其表面的雜散光。未被吸收的一小部分會散射到IMC塔的壁上。鏡面的粗糙度會導(dǎo)致光在未知方向上發(fā)生不可預(yù)測的散射。如果這些光與主光束重新疊加，可能會偽造出引力波信號。

圖 2. Advanced Virgo 儀表擋板的安裝圖片。圖片來源：IFAE。

儀器擋板表面拋光質(zhì)量的確定

在巴塞羅那高能物理研究所（IFAE），使用S neox光學(xué)輪廓儀來確定用于構(gòu)建儀器擋板的拋光不銹鋼表面的粗糙度。具體而言，在進行不同的表面處理（如拋光和孔加工）后進行了測量（圖3）。

圖3. 進行表征的樣本。

對于測量樣本，僅使用相移干涉術(shù)（PSI）這種在S neox中可用的干涉模式才能滿足分辨率和重復(fù)性的要求。這種光學(xué)技術(shù)具有極低的測量噪聲，甚至可達到0.1埃的水平。這對于分析超光滑表面非常理想，這些表面的Ra值低于10納米（圖4）。

平板擋板

試驗樣品

圖4. 樣本的地形圖像和輪廓（右側(cè)）。在應(yīng)用ISO 4287標(biāo)準(zhǔn)（截止值為80微米）后的粗糙度數(shù)值（左側(cè)）。

這種表征提供了每種表面處理方式對粗糙度數(shù)值及其散射特性的影響信息。就此而言，在安裝到維爾戈干涉儀的擋板上，擋板的平均粗糙度必須小于Ra=0.0069微米。儀器擋板滿足了這一要求。

此外，還對面積參數(shù)進行了探索，以供未來研究使用。SensoPRO軟件使得尋找能夠區(qū)分不同表面的粗糙度參數(shù)變得容易。因此，對三組數(shù)據(jù)同時進行分析，并根據(jù)ISO 25178標(biāo)準(zhǔn)計算了粗糙度參數(shù)。結(jié)果如圖5所示，展示了能夠區(qū)分不同表面的潛在粗糙度參數(shù)（以綠色評級表示）。