Sensofar共聚焦白光干涉仪 | 用于维尔戈干涉仪仪器挡板的粗糙度表征

      引力波是时空织物中的波动。当重要的宇宙事件如超新星爆炸或黑洞之间的相互作用发生时，所产生的引力波可以在地球上被探测到。经过50年的科学研究和技术发展，我们已经能够感知引力波。

      先进维尔戈是一个巨大的迈克尔逊干涉仪，能够探测到引力波（图1）。它有两条垂直的长达3公里的臂，悬挂的镜子和其他必要的仪器来组成一个干涉仪。引力波通过悬挂的镜子的运动来改变光束的光学路径。光学路径随之改变，形成了干涉图样。

图1. 先进维尔戈探测器的图片。由EGO Virgo提供。

     巴塞罗那高能物理研究所（IFAE）为先进维尔戈开发了一种新型的仪器挡板。该挡板已经安装在输入模式净化器（IMC）腔的端镜前（图2）。它的目的是吸收到达其表面的杂散光。未被吸收的一小部分会散射到IMC塔的壁上。镜面的粗糙度会导致光在未知方向上发生不可预测的散射。如果这些光与主光束重新叠加，可能会伪造出引力波信号。

图 2. Advanced Virgo 仪表挡板的安装图片。 图片来源：IFAE。

仪器挡板表面抛光质量的确定

      在巴塞罗那高能物理研究所（IFAE），使用S neox光学轮廓仪来确定用于构建仪器挡板的抛光不锈钢表面的粗糙度。具体而言，在进行不同的表面处理（如抛光和孔加工）后进行了测量（图3）。

图3. 进行表征的样本。

      对于测量样本，仅使用相移干涉术（PSI）这种在S neox中可用的干涉模式才能满足分辨率和重复性的要求。这种光学技术具有极低的测量噪声，甚至可达到0.1埃的水平。这对于分析超光滑表面非常理想，这些表面的Ra值低于10纳米（图4）。

平板挡板

试验样品

图4. 样本的地形图像和轮廓（右侧）。在应用ISO 4287标准（截止值为80微米）后的粗糙度数值（左侧）。

      这种表征提供了每种表面处理方式对粗糙度数值及其散射特性的影响信息。就此而言，在安装到维尔戈干涉仪的挡板上，挡板的平均粗糙度必须小于Ra=0.0069微米。仪器挡板满足了这一要求。

      此外，还对面积参数进行了探索，以供未来研究使用。SensoPRO软件使得寻找能够区分不同表面的粗糙度参数变得容易。因此，对三组数据同时进行分析，并根据ISO 25178标准计算了粗糙度参数。结果如图5所示，展示了能够区分不同表面的潜在粗糙度参数（以绿色评级表示）。

图5. 对三个分析数据集计算得出的参数的区分度评估。绿色表示良好的区分度，黄色表示中等，红色表示低

此外，SensoPRO可以显示两个参数如何组合形成散点图，以查看可能的相关性（图6）。

得益于S neox，抛光技术得以获得认证：挡板满足了所需的平均粗糙度要求，即Ra = 0.0069微米。加上总集成散射在500到800ppm之间，使其符合维尔戈干涉仪的安装要求。

参考文献

Instrumented baffle for the Advanced Virgo input mode cleaner end mirror Phys. Rev. D 107, 062001 (2023)

DOI: 10.1103/PhysRevD.107.062001

Virgo y LIGO, cazadores de ondas gravitacionales

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