Low Thermal Noise Coating for New Generation Gravitational-Wave Detectors

par Alex Amato

Thèse de doctorat en Physique des matériaux

Soutenue le 22-11-2019

à Lyon , dans le cadre de École doctorale de Physique et d’Astrophysique (Lyon) , en partenariat avec Université Claude Bernard (Lyon) (établissement opérateur d'inscription) et de Laboratoire Polymères et Matériaux Avancés (laboratoire) .

Le président du jury était Christophe Dujardin.

Le jury était composé de Gianpietro Cagnoli, Maurizio Canepa, Massimo Granata, Viviana Fafone, Frances Hellman.

Les rapporteurs étaient Marie Foret, Serge Galliou.

  • Titre traduit

    Couches minces à faible bruit thermique pour les détecteurs des ondes gravitationnelles de nouvelle génération


  • Résumé

    Le travail de thèse consiste en l'étude des propriétés mécaniques et optiques de couches minces (principalement déposées par IBS au LMA), dans le but de réduire le bruit thermique des miroirs des détecteurs des ondes gravitationnelles (GWDs) actuels et futurs. La caractérisation mécanique effectuée au LMA concerne les mesures de frottement interne et de constantes élastiques par la méthode de "ring-down" utilisant un système de suspension nodale (GeNS). La caractérisation optique a été réalisée à l'aide de l'ellipsométrie spectroscopique (SE). Grâce à une collaboration avec l'OPTMATLAB de l'Université de Gênes, j'ai pu caractériser les échantillons par SE pour une large gamme d'énergie (des NIR aux UV). Les premiers échantillons analysés sont les couches actuellement utilisées dans les GWDs: SiO2, Ta2O5 et Ti:Ta2O5. Ensuite, Nb2O5, Nb:TiO2, Zr:Ta2O5, SiC et SiNx ont été caractérisés en tant que matériaux à haute indice de réfraction, tandis que MgF2 et AlF3 ont été étudiés pour remplacer le matériau à bas indice afin de réduire l'épaisseur totale du revêtement et donc le bruit thermique. Parmi les couches étudiées, Zr:Ta2O5 et SiNx ont fourni les résultats les plus prometteurs en terme de dissipation. Des résultats importants ont été obtenus concernant la théorie de la dissipation dans les oxydes et lors de la caractérisation optique et mécanique des échantillons


  • Résumé

    The work of this thesis is the study of mechanical and optical properties of coatings (mainly deposited by IBS technique at LMA), with the purpose of finding a new possible material with the aim of reduce the coating thermal noise in current and in future gravitational-wave detectors (GWDs). The mechanical characterization done at LMA regards measurements of internal friction and elastic constants by the ring-down method using a Gentle Nodal Suspension (GeNS) system. The optical characterization has been done using spectroscopic ellipsometry (SE). Thanks to a collaboration with the OPTMATLAB of the University of Genova, I was able to characterize the samples using SE in a wide-range energy region (from UV to NIR). The first analysed samples are the coatings currently used in GWDs, SiO2, Ta2O5 and Ti:Ta2O5. Then, Nb2O5, Nb:TiO2, Zr:Ta2O5, SiC and SiNx have been characterize as high-refractive index coatings, whereas MgF2 and AlF3 have been studied with the purpose of replace the low-refractive index, reducing the total coating thickness, hence the coating thermal noise. Among the investigated coatings, Zr:Ta2O5 and SiNx provided the most promising results in term of internal friction. Important finding have been achieved regarding the theory of the internal friction of amorphous oxides and the optical and mechanical characterization of the samples


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