Физические основы гравитационно-волновых детекторов 3-его поколенияНИР

Physical principles of gravitational wave detectors of 3-d generationab

Соисполнители НИР

ГАИШ МГУ Соисполнитель

Источник финансирования НИР

грант РНФ

Этапы НИР

# Сроки Название
1 26 марта 2017 г.-31 декабря 2017 г. Этап 1
Результаты этапа: 1) В лаборатории физического факультета МГУ были изготовлены кремниевые ленты или полоски из стандартных кремниевых пластин (вайферов) методом щелочного анизотропного химического травления. Использовались двусторонние полированные вайферы диаметром 76 мм и толщиной 310 мкм, изготовленные методом зонной плавки с кристаллографической ориентацией (100) (удельное сопротивление при комнатной температуре около 1 кОм см). Кремниевые полоски изготовлялись путем вытравливания канавок шириной около 1 мм в кремниевых вайферах. С этой целью использовалась техника фотолитографии. Направление канавок совпадало с кристаллографической осью (110) для осуществления анизотропного травления. С помощью термического окисления на вайфере формировалась защитная маска из оксидного слоя толщиной 1.5 мкм. Травление канавок осуществлялось методом анизотропного химического травления в 30% растворе КОН при температуре 80 С. Специальным подбором режима травления обеспечивалось высокое качество полосок. Средняя величина шероховатости поверхности кремниевых полосок составила (2.7± 0.9) нм, отклонение от плоскостности – около (600 ± 150) нм, что оказалось достаточным для того, чтобы осуществлять соединение кремниевых полосок методами «гидроксильного каталитического соединения» и оптического контакта. 2) Для исследования механических потерь в соединениях кремниевых элементов подвеса из описанных выше кремниевых пластинок изготовлялись механические резонаторы камертонного типа. Камертон представлял собой конструкцию, состоящую из трех пластинок, соединенных методом «гидроксильного каталитического соединения». Поскольку технология такого соединения требует наличия специального оборудования и чистой комнаты, то соединение осуществлялось в лаборатории университета г. Глазго (Шотландия). Научная группа физического факультета МГУ имеет партнерские отношения с коллегами из этого университета. Для осуществления соединения на поверхностях кремниевых пластин создавался слой оксида SiO± толщиной (163.1 ± 1.8) нм путем термического окисления при температуре 1000 С. Особенное внимание уделялось очистке образцов для удаления загрязнений. Образцы проходили несколько ступеней очистки вплоть до помещения в озоновую камеру. В качестве соединительной среды использовался раствора силиката натрия. Раствор наносился на место соединения и полоски прижимались друг к другу с усилием около 10 кПа. Максимальная прочность такого соединения достигалась после примерно 4 недель его выдерживания при комнатной температуре. 3) Измерение механических потерь в изготовленных таким образом камертонных резонаторах выполнялись в лаборатории физического факультета МГУ. Измерения проводились в специально созданной экспериментальной установке, представляющей собой охлаждаемую вакуумную камеру. Она позволяла проводить измерения в диапазоне температур 95 – 295 К в вакууме, при остаточном давлении около 10^(-6) Торр. Камертон зажимался за ножку в том месте, где согласно численному моделированию амплитуда колебаний основной моды, имеющей собственную частоту 742 Гц, была минимальной. Колебания усиков камертона возбуждались резонансно с помощью электростатической системы раскачки и регистрировались оптическим датчиком, действие которого основано на отклонении лазерного луча, отраженного от усика камертона, подаваемого на квадрантный фотодиод. Добротность камертона определялась по времени затухания амплитуды его свободных колебаний, которая регистрировалась после выключения системы раскачки. Используя параметры соединительного слоя ( толщина, модуль Юнга, коэффициент Пуассона – определялись из других экспериментов) и производя численное моделирование колебаний в таком камертоне, вычислялось отношение энергии, запасенной в соединительном слое к полной энергии камертона. Это позволяло найти значение угла механических потерь соединительного слоя, вернее, его верхнюю границу, поскольку существуют неучтенные источники потерь энергии в изготовленных камертонах. Для комнатной температуры полученное таким образом значение верхней границы угла механических потерь в гидроксильном каталитическом соединении кремниевых полосок составило около 8x10^(-2), а для температуры 123 К – (5 ±2) x10^ (-3). Неопределенность полученного значения угла механических потерь связана с неточностью определения параметров соединительного слоя. Предварительные расчеты теплового шума, связанного с диссипативными процессами в соединениях элементов подвеса кремниевых пробных масс, показали, что при полученном значении угла механических потерь в соединении, его вклад в полный шум смещения пробных масс является приемлемым. Заметим, что когда проходили первые обсуждения возможности использования метода «гидроксильного каталитического соединения» для соединения кремниевых пластинок толщиной 0.3 – 0.4 мм, были сомнения в получении достаточно малого значения угла механических потерь в таком соединении, благодаря потенциально возможной недостаточной плоскостности тонких пластинок в условиях их оксидирования и другой обработки. Соответствующая статья принята к публикации в Physics Letters A, электронная версия доступна на сайте журнала, [5] в списке прикрепленных публикаций. 4) Проведена модернизация установки для исследования потерь в оптических диэлектрических микрорезонаторах с использованием эффекта тепловой нелинейности. Реализована возможность автоматизированных измерений при изменении мощности накачки в диапазоне 4 – 300 мВт. В резонаторах на основе кристаллического кремния получена добротность 3x10^7. Измерены оптические потери в n- и p-допированном кремнии с различной величиной проводимости. 1 статья подготовлена к печати. 5) Выполнены предварительные (тестовые ) оценки сейсмического фона на коротких временах (несколько часов) в трех опорных пунктах по длине тоннеля главной штольни БНО РАН (отметки 300 м, 1500 м, 3800 м). Выполнены расчеты спектра грави-градиентного ньютоновского шума по этим данным для трех зон с километровой базой, распределенных по длине главной штольни БНО РАН (см. дополнительный файл). Расчетные cпектральные плотности ньютоновского шума в главной штольне БНО являются новыми данными. Результаты показывают относительно низкую шумность сайта БНО РАН и его пригодность для размещения гравитационных детекторов третьего поколения. Оценка сейсмического фона в главной штольне БНО проводилась совместно с Геофизической Службой РАН, имеющей стационарные пункты наблюдения на отметках 3800 м и 1500 м. Основным прибором являлся трехкоординатный сейсмограф Curalp 37ESPCD. По полученным спектрам сейсмической активности были вычислены возмущения фона гравитационного градиента (или ньютоновского шума), что дает необходимый материал для оценки чувствительности антенны третьего поколения при размещении ее в БНО ИЯИ РАН Относительно короткие отрезки записей на следующем этапе будут заменяться долговременными наблюдениями (от нескольких месяцев до года). Была также проведена экспедиция в БНО РАН для определения состава нового приборного геофизического комплекса на указанных отметках. По результатам экспедиции была установлена сеть датчиков давления и температуры в трех лабораторных помещениях штольни БНО, а также проведены измерения вариаций этих параметров на пятидневном интервале. Кроме того, по имеющимся данным были построены зависимости наклонов в штольне (Север-Юг и Запад-Восток) от времени на двухнедельном интервале и построен их спектр мощности (см. дополнительный файл). 6) Модернизирован и испытан криостат для пилотных резонаторов Фабри-Перо (модель опто - акустического гравитационного детектора). Выполнены эксперименты по охлаждению модельных резонаторов с зеркалами на подложках из различных материалов. В качестве базового измерительного инструмента для экспериментов с моделями твердотельных гравитационных детекторов использован криостат КВ 26070, ранее разработанный в группе ГАИШ. Криостат был радикально модернизирован с заменой старой тепловой изоляции на более эффективную, с устройством оптических вводов и с переходом к проточному принципу захолаживания без использования гелиевой ванны (см. дополнительный файл). Пробное тело (акустический резонатор, несущий оптический интерферометр Фабри-Перо) подвешивалось в петле автоматического поджатия («генератор силы») для сохранения скорости теплообмена при захолаживании. Прямой тепловой контакт петли с криостатом обеспечивался медными шинами. Эффективность использованной методики доказана тестовым экспериментом, в котором достигнуто охлаждение тела модели до 4,5 К, зеркал до 14 К при действующем световом потоке до 0.4 мвт. Выполнены предварительные измерения эволюции оптических свойств зеркал на подложках из флюорида кальция в процессе охлаждения до 5 К. Доказана пригодность этого типа зеркал (технологии) для гравитационных детекторов третьего поколения (Einstein Telescope). Результаты вошли в публикацию по проекту 2017 года в журнале Ядерная физика и инжиниринг, [5] в списке прикрепленных публикаций. 7) Первичная обработка информации в гравитационно-волновом эксперименте, в предположении присутствия гауссова шумового фона, традиционно проводится по следующему алгоритму: ОФ – СФ, где ОФ и СФ – обеляющий и согласованный фильтры соответственно. Для подавления импульсных помех используется схема совпадений, применение которой можно рассматривать как комплексирование (объединение) пространственно-разнесенных гравитационных антенн «по выходу». На практике в реальном эксперименте шумовой фон обычно далек от гауссовой модели. На основе рецептов статистической радиотехники были разработаны адаптивные алгоритмы обнаружения полезного сигнала на фоне негауссовых шумов (см. дополнительный файл). Применение таких алгоритмов в гравитационно-волновом эксперименте позволяет осуществить комплексирование гравитационных антенн «по входу», что увеличивает вероятность правильного обнаружения. В условиях недостатка априорной астрофизической информации о параметрах сигнала и шумов наиболее надежные методы обработки выходных данных гравитационных антенн традиционно базируются на предварительных эмпирических оценках статистических характеристик выходной реализации детектора. Оригинальность разработанной новой методики заключается, однако, в специальном анализе тех временных интервалов записей (off line processing), которые лежат в окрестности астрофизических событий, отмеченных датчиками другой природы, в частности, нейтрино (а также гамма) детекторами. Такой подход эффективно повышает вероятность обнаружения сигнала за счет отбрасывания большого объема неинформативных данных, а также содержит потенциальную возможность накопления слабых ГВ всплесков при разумном использовании адаптивных алгоритмов теории оптимальной фильтрации. Разработан универсальный «алгоритм поиска совпадений» гравитационных сигналов в 100 секундной окрестности нейтринных событий с оценками вероятности «правильного обнаружения». Статья находится в процессе подготовки. 8) Увеличение чувствительности гравитационно-волновых детекторов третьего поколения (типа Einstein Telescope) предполагается получить путем увеличения мощности оптической моды накачки, циркулирующей в Фабри-Перо резонаторах. Однако большая циркулирующая мощность приводит к нежелательным нелинейным эффектам. Одним из них является параметрическая неустойчивость, которая возникает из-за давления света на зеркала. Это приводит к взаимодействию упругих мод зеркал Фабри-Перо резонаторов с оптическими модами и если сумма частот оптической и упругой моды близка к частоте основной оптической моды, то может возникнуть параметрическая неустойчивость – лавинообразное нарастание амплитуды акустических колебаний. а) Для прогнозирования параметрической неустойчивости необходимо точно знать частоты мод оптического резонатора и упругих мод зеркал. Проведен расчет числа неустойчивых комбинаций упругих и стоксовых мод: частоты и пространственные распределения векторов смещений упругих мод рассчитывались численно, используя программу COMSOL, на триангулярной сетке с числом элементов сетки около 40000. Проанализированы две возможные конфигурации гравитационно-волновых детекторов третьего поколения (Einstein Telescope) с зеркалами резонаторов Фабри-Перо, изготовленными как из кремния, так и из сапфира, и определены параметрические неустойчивости. Исходя из результатов данной работы, можно заключить, что использование зеркал, изготовленных из кремния или сапфира, существенно увеличит число параметрических неустойчивостей в схеме телескопа Эйнштейна по сравнению с интерферометром LIGO. В частотном диапазоне упругих мод до 40 кГц обнаружено восемь неустойчивых комбинаций для зеркал из сапфира и двенадцать комбинаций для зеркал, изготовленных из кремния. Статья принята к публикации в Physics Letters A, электронная версия доступна на сайте журнала, [1] в списке прикрепленных публикаций. б) Количество пар стоксовых (оптических) и упругих мод, которые могут участвовать в параметрической неустойчивости, к сожалению, велико, а значит, велика вероятность появления неустойчивости. Нами была предложена идея использовать оптические резонаторы с прореженным спектром и было показано, что можно так подобрать форму зеркал, чтобы оптические моды высоких порядков имели дифракционные потери приблизительно на три порядка больше, чем в традиционном резонаторе со сферическими зеркалами (Phys. Rev. D v.93 (2016) 083010). В настоящее время нами детально разработана схема численного расчета оптических потерь в резонаторах Фабри-Перо с несферическими зеркалами, основанная на нахождении собственных значений и функций распределений мод. Распределение мод ищется в виде exp(i n phi)*F_n(r) (n – целое, phi – азимутальный угол, r – радиальная координата). Достоинством является то, что решается 1D задача, поскольку для каждого n ищется собственная функция радиального распределения F_n(r) – это позволяет существенно уменьшить время счета. Исследовано, как оптимально выбирать параметры численного расчета, например, количество точек, соотношение величин радиуса зеркала и радиуса окна и пр. Кроме того, показано, что зная собственные значения резонатора с заданными формами зеркал, можно оценивать влияние неосесимметричных деформаций профиля с помощью метода последовательных приближений, например, влияние малых шероховатостей зеркал или их малый наклон. Подготовлена статья, которая сейчас проходит открытое рецензирование в сообществе LIGO (LIGO review). в) В настоящее время чувствительность лазерной гравитационной антенны Advanced LIGO ограничивается флуктуациями отражающих поверхностей зеркал и их аккуратный расчет является актуальной задачей. Нами был предложен метод расчета таких флуктуаций из первых принципов, основанный на совместном применении флуктуационно-диссипативной теоремы и использования адиабатического инварианта резонатора. Такой подход позволяет расчитать влияние флуктуаций неотражающих поверхностей в сложных оптических системах, например, в угловом оптическом резонаторе. Соответствующая статья принята к публикации в Physics Letters A, электронная версия доступна на сайте журнала, [4] в списке прикрепленных публикаций. г) В настоящее время широко обсуждается использование отражательных дифракционных решеток для гравитационных антенн следующего поколения. Нами был произведен расчет влияния тепловых флуктуаций элементов так называемых «Т» решеток (форма элементов решетки похожа на букву «Т») на фазу отраженной волны (а следовательно, и чувствительность гравантенны). Используя прямой метод расчета в соответствии с флуктуационно-диссипативной теоремой, мы нашли оптимальные размеры элементов решетки, при которых влияние теплового шума минимально. Статья опубликована в Physical Review D, [2] в списке прикрепленных публикаций. По тематике гранта представлены 5 публикаций: опубликованы две научные статьи и еще три приняты в печать, их электронные версии выложены на сайте соответствующего журнала.
2 1 января 2018 г.-31 декабря 2018 г. Этап 2
Результаты этапа: 1) Продолжение исследований механических потерь в соединениях кремниевых элементов в квазимонолитных подвесах кремниевых пробных масс криогенного гравитационно-волнового детектора проводилось в двух направлениях. Первое включало совершенствование технологии «гидроксильного каталитического соединения» для дальнейшего снижения потерь в соединении. Благодаря введению процедуры удаления оксидного слоя с поверхности пластинок после изготовления и последующей их очистки удалось снизить значение верхней границы для угла механических потерь в гидроксильном каталитическом соединении кремниевых полосок с (5 ±2) x10^ (-3) [Phys. Lett. A 382, 286, (2018)] до (1.8 ± 0.6) × 10^(-3) при температуре 123 К. Второе направление состояло в исследовании альтернативных методов соединения. В качестве метода соединения кремниевых элементов в квазимонолитных подвесах кремниевых пробных масс криогенного гравитационно-волнового детектора, альтернативному ранее использованному методу «гидроксильного каталитического соединения», был исследован метод «прямого сращивания» или «оптического контакта». Технология прямого сращивания (direct bonding), позволяющая соединять хорошо очищенные и отполированные кремниевые пластины без использования промежуточного клеевого слоя, применяется в микроэлектронике, микромеханике и оптоэлектронике Поверхности пластин, покрытые естественным слоем окисла, предварительно активируют посредством химической или плазменной обработки, так что они становятся гидрофильными, т.е. хорошо смачиваются водой. Гидрофилизация сопровождается образованием на поверхности пластин силанольных групп Si-OH. После этого пластины приводятся в тесный контакт и соединяются друг с другом за счет образования водородных связей между молекулами воды, адсорбированными на сращиваемых поверхностях. Последующий термический отжиг приводит к изменению структуры связей и усилению прочности соединения. Для определения величины потерь в соединениях были изготовлены механические резонаторы типа камертона, состоящие из трех кремниевых пластинок, соединенных между собой по технологии прямого сращивания. Добротность Q такого камертона, определяется в основном потерями в соединении пластинок, из которых сделан камертон. Они изготовлялись из стандартных кремниевых пластин (вайферов) методом щелочного анизотропного химического травления в нашей лаборатории физического факультета МГУ. Технология изготовления пластинок описана в отчете по настоящему гранту за 2017 год. Соединение пластинок методом прямого сращивания и отжиг изготовленного камертона производились в Научно-исследовательском институте «Полюс» им. М. Ф. Стельмаха (г. Москва), поскольку там имеется соответствующее оборудование. Измерения механических потерь в изготовленных таким образом камертонных резонаторах (с собственными частотами колебаний около 790 Гц) выполнялись в лаборатории физического факультета МГУ. Измерения проводились в специально созданной экспериментальной установке, представляющей собой охлаждаемую вакуумную камеру. Она позволяла проводить измерения в диапазоне температур 100 – 295 К в вакууме, при остаточном давлении около 10^(-6) Торр. Колебания усиков камертона возбуждались резонансно с помощью электростатической системы раскачки и регистрировались оптическим датчиком, действие которого основано на отклонении лазерного луча, отраженного от усика камертона, подаваемого на квадрантный фотодиод. Добротность камертона определялась по времени затухания амплитуды его свободных колебаний, которая регистрировалась после выключения системы раскачки. Используя значения параметров соединительного слоя и на основе численного моделирования колебаний в таком камертоне, вычислялось отношение энергии, запасенной в соединительном слое к полной энергии камертона. Это позволило найти значение угла механических потерь соединительного слоя, вернее, его верхнюю границу, поскольку существуют неучтенные источники потерь энергии в изготовленных камертонах. Верхняя граница угла механических потерь составила(2 ±1) x10^(-2) при температуре 123 К. Потери в соединении, полученном методом «прямого сращивания» или «оптического контакта» кремниевых пластин, оказались примерно в 4 раз выше, чем потери в соединении, полученном методом «гидроксильного каталитического соединения» до его улучшения. Тем не менее, метод прямого сращивания будет полезным при проведении предварительных экспериментальных исследований подвесов пробных масс, поскольку он обеспечивает относительно малый уровень потерь в соединении, хотя и превышающий потери в соединении, выполненном методом «гидроксильного каталитического соединения», но в отличие от последнего допускает разъединение соединенных элементов кремниевых подвесов без их разрушения. Результаты этих исследований докладывались на Конференции научной коллаборации LIGO (LVC meeting, September 4-7, 2018, Maastricht, Netherland, Document LIGO-G1801543). По результатам этих исследований подготовлена статья, которая послана в Журнал технической физики. 2) Другая важная задача, которую необходимо решить при создании квазимонолитных подвесов кремниевых пробных масс криогенного гравитационно-волнового детектора, состоит в обеспечении теплоотвода от охлаждаемых пробных масс в условиях, когда оптическое излучение с мощностью до 3 МВт циркулирует в плечах интерферометра. Даже при рекордно малых оптических потерях в пробных массах и отражающих покрытиях они будут нагреваться. Для поддержания рабочей температуры пробных масс необходимый теплоотвод, как показывают расчеты, должен составлять до 10 Вт. Теплопроводность через подвес не обеспечивает такой теплоотвод, поэтому основная теплопередача будет происходить бесконтактно через тепловое излучение. К сожалению, степень черноты кремния и отражающего покрытия на торцевых поверхностях пробных масс слишком мала, чтобы обеспечить необходимый радиационный отток тепла. Было предложено покрывать боковую поверхность кремниевых пробных масс криогенного гравитационно-волнового детектора покрытием с высокой степенью черноты с целью повышения эффективности ее радиационного охлаждения. Основное требование к такому покрытию состоит в том, чтобы оно незначительно увеличивало тепловой шум смещения пробной массы, обусловленный механическими потерями в покрытии. Нами проведено измерение температурной зависимости (в диапазоне температур от 100 до 295 К) механических потерь в покрытии кремниевых пластин, которое обладает высокой степенью черноты, близкой к единице. Образцы, представляющие собой стандартные кремниевые пластины (wafers) диаметром 50 мм с нанесенным на них покрытием из углеродных нанотрубок, были предоставлены нам коллегами из лаборатории LIGO Калифорнийского технологического института, вместе с которыми проводились эти исследования. В кремниевых пластинах возбуждались механические колебания и измерялись температурные зависимости механических потерь в пластинах с покрытием и без такового. Собственные частоты исследуемых колебательных мод находились в диапазоне от 2 до 8 кГц. На основании полученных экспериментальных данных о потерях в покрытии был проведен расчетов шума смещения пробной массы, обусловленного наличием поглощающего покрытия. Было показано, что дополнительный тепловой шум смещения кремниевой пробной массы, обусловленный механическими потерями в нанесенном на ее боковую поверхность покрытии из углеродных нанотрубок, в 20 раз меньше, чем шум, обусловленный отражающим покрытием на пробной массе, который в настоящее время является главным фактором, ограничивающим чувствительность детектора. Недостатком покрытия из углеродных нанотрубок является невысокая стойкость к механическим воздействиям, и производители работают над решением этой проблемы. Результаты исследований докладывались на Конференции научной коллаборации LIGO (LVC meeting, March 19-22, 2018, Sonoma State University, Rohnert Park, California, USA, Document LIGO-G1800447) 3) Были проведены измерения оптических потерь в микрорезонаторах из кремния на длине волны 1550 нм. Разработан метод изготовления и обработки кремниевых микрорезонаторов с модами шепчущей галереи, который позволяет добиться существенного (на два порядка) повышения добротности. Для резонаторов из материалов с малой концентрацией примесей была впервые экспериментально измерена добротность, превышающая 10^9. Для обработки микрорезонаторов использовалась ассимтотическая полировка алмазными суспензиями, вплоть до суспензии с размером зерна абразива менее 30 нм, и финишная полировка с помощью коллоидного раствора диоксида кремния с размером зерна абразива менее 70 нм. Финишная полировка позволила снизить потери в поверхностном слое и увеличить добротность микрорезонаторов на два порядка. Таким образом, показано, что поверхностные потери в кремнии играют ключевую роль в достижении малых потерь. Результаты будут опубликованы в журнале Optica Vol. 5, Issue 12, pp. 1525-1528 (2018), impact factor 7.5. Были проведены сравнительные исследования добротности резонаторов из кремния, изготовленного по различным технологиям. Для обработки материалов использовалась вышеописанная методика, результаты приведены в сводной таблице. Для трех материалов с высоким сопротивлением и малыми потерями были получены добротности порядка 10^9. В материалах с низким сопротивлением были получены меньшие добротности, близкие к пределу определяемому потерями в материале. Таким образом, подтверждена возможность использования высокочистого кремния для изготовления пробных масс гравитационно-волновых детекторов следующего поколения. Показано, что применение оптических микрорезонаторов является уникальным методом, позволяющим измерить вклад поверхностных потерь. Микрорезонаторы из кристаллического кремния с высокой добротностью могут стать базовым элементом различных фотонных и радиофотонных устройств. 4) Закончена установка приборного геофизического комплекса в штольне БНО ИЯИ РАН адаптированного к работе в автоматическом режиме. Комплекс включает два сейсмометра, два наклономера и один приливной гравиметр. которые могут переноситься с установкой на стационарных платформах в трех пунктах по длине штольни (300 м, 1500.м, 3800 м) , а также систему контрольных датчиков давления и температуры.. Проведены измерения спектральной плотности сейсмо-гравитационных шумов в туннелях БНО РАН: в частотном диапазоне 0.1 – 10 Гц с помощью сейсмометров, и в частотном диапазоне 0.001 Гц и ниже с помощью наклономеров и гравиметра. Длительность интервала наблюдений составила 1.5 месяца, и измерения продолжаются. Параллельно выполняется обработка уже накопленных данных. Целью данного исследования является сравнение шумового фона БНО с другими европейскими сайтами - кандидатами на размещение гравитационных антенн третьего поколения. По данным предварительных измерений подготовлена статья в журнал Известия РАН "Физика Земли" (impact 0.64) 5) Разработаны алгоритмы обнаружения слабых астрофизических сигналов на фоне случайных квази детерминированных помех с временной чирп-структурой ГВ излучения, порождаемого слияниями релятивистских двойных (нейтронных звезд и черных дыр) Исследованы методики комплексирования компонент глобальной сети гравитационных антенн, базирующиеся на теории обнаружения векторных сигналов, адаптированные, в частности, для межконтинентальной Евро-Азиатской сети гравитационно-волновых интерферометров. Исследовалась задача оптимального объединения компонент глобальной сети гравитационных лазерных антенн с целью повышения эффективности регистрации и лучшей оценки параметров гравитационно-волновых сигналов астрофизической природы. В качестве сигнала выбран квазигармонический всплеск ("чирп"), сопровождающий событие слияния релятивистской двойной в конце её эволюции. Форма такого сигнала известна с точностью до набора параметров, подлежащих оценке на фоне многочисленных когерентных и стохастических помех. В дополнение к известному методу фильтрации совпадений выходных сигналов по времени (объединение компонент сети по выходу) была проанализирована альтернативная возможность учета когерентной фазы возбуждения отдельных детекторов (объединение компонент по входу). Были рассчитаны статистические характеристики детектирования для обоих режимов. Использовалась методика типичная для задач различения детерминированных сигналов в радиолокации. Показано существенное увеличение эффективности регистрации при входном объединении компонент сети. По результатам исследований послана статья в Вестник Московского университета (учитывается базами Web of Science и Scopus). 6) Перспективы повышения чувствительности лазерных интерферометрических гравитационных волновых антенн третьего поколения тесно связаны с идеей подавления теплового шума зеркал (пробных тел) за счет их глубокого охлаждения до температуры азота или гелия. Зеркала этих интерферометров с массой в десятки килограммов, находящиеся под воздействием мощной оптической накачки (десятки ватт или более), подвешены как маятники для эффективной изоляции от сейсмического шумового фона. Подвеска необходима также для сохранения высокой добротности как маятниковой моды, так и внутренних механических мод зеркал. В этих условиях охлаждение зеркал до крио температур оказывается серьезной проблемой из-за слабого теплового контакта. Было показано, что при охлаждении подвешенных кварцевых зеркал через обменный газ в присутствии световой накачки порядка 20 мВт температура зеркал в (12-14) oK может быть достигнута в течение месяца. Для твердотельной резонансной гравитационной антенны с оптической системой считывания ( детектор OGRAN), ситуация немного легче. В этом случае возможно частичное улучшение теплового контакта между детектором и зеркалами, однако оно не может быть полным в связи с необходимостью сохранения высокой добротности акустических мод зеркал. Кроме этого, механическая и оптическая устойчивость многослойного отражающего покрытия зеркала под мощным лазерным облучением также становится серьезной проблемой (несмотря на очень низкий коэффициент поглощения), решение которой возможно только экспериментально. По программе гранта за отчетный период были проведены эксперименты с оптическим эталоном Фабри-Перо при низких температурах. Зеркала на подложках из разных оптических материалов были испытаны в инфракрасном лазерном свете с длиной волны 1.064 мкм. Эволюция оптических характеристик FP- эталона измерялась в интервале температур от 300 0K до 10 0K. при мощностях облучения 10-450 Вт. Получены сравнительные экспериментальные характеристики для нескольких типичных подложек (ситалл, сапфир, флюорид кальция). Было показано преимущество зеркал на подложках флюорида кальция. По результатам работы подготовлена и послана статья в журнал Edition MDPI, Journal Applied Sciences, (section: Optics and Lasers). 7) Проведен дальнейший анализ нежелательного эффекта параметрической неустойчивости в лазерных гравитационно-волновых антеннах. Произведен расчет числа неустойчивых комбинаций упругих и стоксовых мод интерферометра, частот и пространственных распределений векторов смещений упругих мод. Расчеты значений факторов перекрытия для всех комбинаций упругих и оптических мод были сделаны вплоть до оптических мод девятого порядка с учетом азимутального условия параметрической неустойчивости. Проанализировано влияние температурной зависимости модуля Юнга материала зеркал на число неустойчивых мод в Фабри-Перо резонаторе гравитационно-волнового интерферометра. Показано, что некоторые неустойчивые моды могут быть подавлены изменением температуры зеркала из-за температурной зависимости модуля Юнга. Определены оптимальные значения вариации температуры зеркал для уменьшения числа неустойчивых мод. Проанализировано возможное применение этого метода в криогенных детекторах, таких как LIGO Voyager или Einstein Telescope. По результатам исследований подготовлена статья. Представлен детальный анализ тепловых шумов светоделителя лазерной интерферометрической гравитационно-волновой антенны в общий бюджет шумов. Тепловые шумы были рассчитаны из первых принципов на основе флуктуационно-диссипативной теоремы, этот подход был предложен нами ранее в работе, вошедшей в прошлогодний отчет по этому гранту (Physics Letters A 382 (2018) 2181–2185). Мы учитывали тепловые шумы, возникающие как от интерферометрических покрытий (отражающего и просветляющего), так и шумы от подложки светоделителя. Учтено, что профиль интенсивности света на поверхностях светоделителя носит полосатый характер из-за интерференции световых волн. Показано, что для aLIGO (Advanced Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory) вклад шумов светоделителя в общий бюджет мал и составляет около,о 0.3%. Для антенны GEO 600 вклад этих шумов ьольше, на уровне 10% от общего бюджета. Результаты этой работы опубликованы совместно с немецкими и американскими коллегами в журнале Physical Review D 98 (2018) 082002, impact factor 4.5. В отчете по этому гранту за прошлый год для подавления нежелательного эффекта параметрической неустойчивости в лазерных гравитационно-волновых антеннах мы предложили использовать резонаторы Фабрри-Перо с прореженным спектром. Для расчёта таких резонаторов с несферическими зеркалами надо использовать численный расчёт на основе преобразования Ханкеля. В продолжение этой работы в этом году мы обобщили известный подход для численного расчёта аксиально-симметричных мод на случай мод высшего порядка и представили детальное описание процедуры расчёта и оценки его точности. Соответствующая статья опубликована в Journal of Optics 20 (2018) 075609, impact factor 2.3.
3 1 января 2019 г.-31 декабря 2019 г. Этап 3
Результаты этапа:

Прикрепленные к НИР результаты

Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".