Towards Ultrastable Amorphous Coatings for LIGO

LIGO 超稳定非晶涂层的研究

基本信息

  • 批准号:
    1710957
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 30万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
    Continuing Grant
  • 财政年份:
    2017
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2017-07-15 至 2020-06-30
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

The first detection of gravitational waves from the collision of two massive black holes by the twin Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory (LIGO) detectors in Livingston, Louisiana, and Hanford, Washington in 2015 not only confirmed Einstein's predictions of the existence of gravitational waves but also ratified years of efforts in the development of gravitational wave detectors (GWD). Gravitational wave detectors are interferometers in which an intense laser beam bounces between two sets of mirrors in orthogonal arms. Gravitational waves cause differences in the path length of the laser beam between the two interferometer arms, giving rise to a distinct interference pattern that when analyzed identifies the event that created them. The detection sensitivity of GWD is determined by various noise sources, among which, thermal noise of the coatings in the mirrors of the interferometer is a main component. Thermal noise in the high reflectance amorphous oxide coatings in the interferometer's mirrors causes path length differences that can mask the signals from gravitational waves. To increase the sensitivity of present GWD and meet the demands of future GWD, a concerted effort to understand and control the mechanisms that give rise to thermal noise in amorphous oxide coatings is imperative. This work will form part of that effort. This award supports research aimed at demonstrating amorphous oxide coatings with significantly reduced thermal noise and superior optical properties that will enable an approximate 10x increase in sensitivity of state-of-the-art GWD. The research effort has two specific aims: 1) to realize amorphous metal oxide thin films by ion beam sputtering with reduced thermal noise through a systematic parametric study of the deposition conditions used to grow single films; and 2) to engineer multilayer dielectric coatings using these materials with reduced mechanical loss compared to state-of-the-art. A synergistic characterization effort will support the materials' growth. In particular the CSU researchers will collaborate with Caltech researchers to assess mechanical loss in single and multilayer dielectric coatings. This research will support the LIGO program in different ways. Through fundamental studies in amorphous oxides it will enable investigations of the physical mechanisms that come into play in affecting thermal noise. It will also offer the opportunity to seek for new coating designs that will increase sensitivity of advanced LIGO and of the next generation GWD. Synergistic collaborations with the LIGO Scientific Collaboration (LSC) Coatings Group are planned to congruently advance the fundamental material science and coatings engineering efforts.
2015 年,位于路易斯安那州利文斯顿和华盛顿州汉福德的双激光干涉仪引力波天文台 (LIGO) 探测器首次探测到两个大质量黑洞碰撞产生的引力波,不仅证实了爱因斯坦关于引力波存在的预测,而且还批准了多年来在引力波探测器(GWD)开发方面的努力。 引力波探测器是一种干涉仪,其中强激光束在正交臂的两组镜子之间反射。 引力波会导致两个干涉仪臂之间的激光束路径长度存在差异,从而产生明显的干涉图案,在分析时可以识别产生它们的事件。 GWD的检测灵敏度由各种噪声源决定,其中干涉仪镜面涂层的热噪声是主要成分。干涉仪反射镜中高​​反射率非晶氧化物涂层中的热噪声会导致路径长度差异,从而掩盖引力波信号。为了提高当前 GWD 的灵敏度并满足未来 GWD 的需求,必须共同努力了解和控制在非晶氧化物涂层中产生热噪声的机制。这项工作将成为这一努力的一部分。该奖项支持旨在证明非晶氧化物涂层显着降低热噪声和卓越光学性能的研究,这将使最先进的 GWD 的灵敏度提高约 10 倍。该研究工作有两个具体目标:1)通过对用于生长单层薄膜的沉积条件进行系统参数研究,通过离子束溅射实现非晶金属氧化物薄膜,并降低热噪声; 2)使用这些材料设计多层介电涂层,与最先进的技术相比,机械损耗更低。协同表征工作将支持材料的生长。特别是,科罗拉多州立大学的研究人员将与加州理工学院的研究人员合作,评估单层和多层介电涂层的机械损耗。这项研究将以不同的方式支持 LIGO 计划。通过对非晶氧化物的基础研究,它将能够研究影响热噪声的物理机制。它还将提供寻求新涂层设计的机会,以提高先进 LIGO 和下一代 GWD 的灵敏度。计划与 LIGO 科学合作组织 (LSC) 涂料集团进行协同合作,以一致地推进基础材料科学和涂料工程工作。

项目成果

期刊论文数量(3)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(0)
Investigation of effects of assisted ion bombardment on mechanical loss of sputtered tantala thin films for gravitational wave interferometers
辅助离子轰击对引力波干涉仪溅射氧化钽薄膜机械损耗影响的研究
  • DOI:
    10.1103/physrevd.100.122004
  • 发表时间:
    2019
  • 期刊:
  • 影响因子:
    5
  • 作者:
    Yang, Le;Randel, Emmett;Vajente, Gabriele;Ananyeva, Alena;Gustafson, Eric;Markosyan, Ashot;Bassiri, Riccardo;Fejer, Martin M.;Menoni, Carmen S.
  • 通讯作者:
    Menoni, Carmen S.
Modifications of ion beam sputtered tantala thin films by secondary argon and oxygen bombardment
二次氩氧轰击离子束溅射氧化钽薄膜的改性
  • DOI:
    10.1364/ao.59.00a150
  • 发表时间:
    2020
  • 期刊:
  • 影响因子:
    1.9
  • 作者:
    Yang, Le;Randel, Emmett;Vajente, Gabriele;Ananyeva, Alena;Gustafson, Eric;Markosyan, Ashot;Bassiri, Riccardo;Fejer, Martin;Menoni, Carmen
  • 通讯作者:
    Menoni, Carmen
Method for the experimental measurement of bulk and shear loss angles in amorphous thin films
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  • DOI:
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    2020
  • 期刊:
  • 影响因子:
    5
  • 作者:
    Vajente, Gabriele;Fazio, Mariana;Yang, Le;Gupta, Anchal;Ananyeva, Alena;Billinsley, Garilynn;Menoni, Carmen S.
  • 通讯作者:
    Menoni, Carmen S.
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  • 通讯作者:
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