研究人員開發(fā)出一種新型的可變形反射鏡，可以提高地面重力波探測器的靈敏度，例如先進(jìn)的激光干涉儀重力波天文臺（LIGO）。先進(jìn)的LIGO可以測量由引力波引起的時空微弱的波動，這種波動是由諸如黑洞或中子星碰撞之類的遙遠(yuǎn)事件引起的。

（圖片來源：阿德萊德大學(xué)的Huy Tuong Cao ）

該圖顯示了熱雙壓電晶片鏡的橫截面及其組成部分?？刂品瓷溏R的溫度會改變反射波陣面的曲率。模擬的徑向應(yīng)力覆蓋在橫截面上，徑向應(yīng)力顯示應(yīng)力集中在兩層的邊界處，其中粘合劑將結(jié)構(gòu)固定在一起。

這項新技術(shù)是由澳大利亞研究委員會和國家科學(xué)基金會資助的阿德萊德大學(xué)和LIGO實驗室之間的訪客計劃的一部分，由LIGO的Cao和Aidan Brooks提出的。研究人員首次基于雙金屬效應(yīng)制作了可變形反射鏡，其中使用溫度變化來實現(xiàn)機械位移。用于成形和控制激光的可變形反射鏡的表面由微小的反射鏡組成，每個反射鏡均可移動或驅(qū)動，以改變反射鏡的整體形狀。

來自澳大利亞重力波發(fā)現(xiàn)卓越中心（OzGrav）阿德萊德節(jié)點大學(xué)（universityofadelaidenode）的研究團隊負(fù)責(zé)人曹慧彤（huytoungcao）說：“除了改進(jìn)當(dāng)今的重力波探測器外，這些新型反射鏡還將有助于提高下一代探測器的靈敏度，并允許探測新的重力波源。我們的新反光鏡可提供很大的致動范圍，且精度很高。設(shè)計的簡單性意味著它可以將市售的光學(xué)器件變成可變形的反射鏡，而無需任何復(fù)雜或昂貴的設(shè)備。這使得它對于精確控制光束形狀至關(guān)重要的任何系統(tǒng)都非常有用?！?

建立更好的鏡子

地面重力波探測器使用激光在干涉儀的兩個臂之間來回移動，以監(jiān)視每個臂末端的反射鏡之間的距離。引力波會導(dǎo)致反射鏡之間的距離發(fā)生輕微但可檢測的變化。要檢測到這種微小變化，就需要極其精確的激光束控制和整形，這是通過可變形鏡實現(xiàn)的。

曹說：“我們已經(jīng)達(dá)到了提高重力波探測器靈敏度所需的精度，這超出了用于制造可變形反射鏡的制造技術(shù)所能達(dá)到的精度。重要的是，新設(shè)計的激光束通過的光學(xué)表面更少。這減少了由涂層的散射或吸收引起的光損失。”

大多數(shù)可變形鏡使用薄鏡引起大量的驅(qū)動，但是這些薄鏡會產(chǎn)生不希望的散射，因為它們很難拋光。研究人員通過將一塊金屬附著在玻璃鏡上，利用雙金屬效應(yīng)設(shè)計了一種新型的可變形鏡。當(dāng)兩者一起加熱時，金屬會比玻璃膨脹得更多，從而導(dǎo)致鏡子彎曲。

新設(shè)計不僅可以產(chǎn)生大量的精確致動，而且結(jié)構(gòu)緊湊，并且只需對現(xiàn)有系統(tǒng)進(jìn)行最少的改動即可。用于制造可變形鏡的熔融石英鏡和鋁板均可商購。為了連接這兩層，研究人員精心選擇了一種粘合劑，可以最大程度地提高驅(qū)動力。

精密表征

創(chuàng)建高精度鏡面需要精密的表征技術(shù)。研究人員開發(fā)并建造了高度靈敏的Hartmann波前傳感器，以測量反射鏡的變形如何改變激光的形狀。

曹說：“該傳感器對我們的實驗至關(guān)重要，還用于重力探測器中，以測量干涉儀核心光學(xué)器件的微小變化。我們用它來表征反射鏡的性能，發(fā)現(xiàn)反射鏡非常穩(wěn)定，并且對溫度變化具有非常線性的響應(yīng)?！?

測試還表明，粘合劑是反光鏡驅(qū)動范圍的主要限制因素。研究人員目前正在努力克服由膠粘劑引起的局限性，并將在將反光鏡集成到高級LIGO中之前進(jìn)行更多測試，以驗證兼容性。