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(cè)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(cè)到引力波（圖1）。它有兩條垂直的長(zhǎng)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。

圖1. 先進(jìn)維爾戈探測(cè)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(cè)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(cè)量（圖3）。

圖3. 進(jìn)行表征的樣本。

      對(duì)于測(cè)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(cè)量噪聲，甚至可達(dá)到0.1埃的水平。這對(duì)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(yàn)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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）。

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。

參考文獻(xiàn)

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

Gravitational Waves Group part of IFAE