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Sensofar共聚焦白光干涉儀 | 用于維爾戈干涉儀儀器擋板的粗糙度表征

更新時(shí)間:2024-11-11點(diǎn)擊次數(shù):293

引力波是時(shí)空織物中的波動(dòng)。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(shí),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(jìn)維爾戈是一個(gè)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(dá)3公里的臂,懸掛的鏡子和其他必要的儀器來組成一個(gè)干涉儀。引力波通過懸掛的鏡子的運(yùn)動(dòng)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。

virgo_detector

圖1. 先進(jìn)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(jìn)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(dá)其表面的雜散光。未被吸收的一小部分會(huì)散射到IMC塔的壁上。鏡面的粗糙度會(huì)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(huì)偽造出引力波信號(hào)。

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(jìn)行不同的表面處理(如拋光和孔加工)后進(jìn)行了測量(圖3)。

圖3. 進(jìn)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(dá)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)。

figure4-a

平板擋板

figure4-a

試驗(yàn)樣品

 

figure4-c

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(jìn)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(shí)進(jìn)行分析,并根據(jù)ISO 25178標(biāo)準(zhǔn)計(jì)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(píng)級(jí)表示)。

圖5. 對三個(gè)分析數(shù)據(jù)集計(jì)算得出的參數(shù)的區(qū)分度評(píng)估。綠色表示良好的區(qū)分度,黃色表示中等,紅色表示低

此外,SensoPRO可以顯示兩個(gè)參數(shù)如何組合形成散點(diǎn)圖,以查看可能的相關(guān)性(圖6)。

figure6

得益于S neox,拋光技術(shù)得以獲得認(rèn)證:擋板滿足了所需的平均粗糙度要求,即Ra = 0.0069微米。加上總集成散射在500到800ppm之間,使其符合維爾戈干涉儀的安裝要求。


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