Published September 27, 2012 | Version v1
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The Advanced Virgo Gravitational Wave Detector: Study of the optical design and development of the mirrors

Description

Gravitational waves have been predicted by Einstein in his General Relativity theory. They are perturbation of the space-time metric and we try to reveal them by laser interferometry. More precisely, gravitational wave detectors are km long Michelson interferometers combined with Fabry-Perot cavities. The network of first generation detectors (Virgo, LIGO, GEO) did not permit a direct detection after several observational runs in coincidence at the nominal sensitivity. A second generation of detectors is in preparation with in particular the European project Advanced Virgo. This detector should have a sensitivity increased by an order of magnitude compared to Virgo. The interferometer mirrors play a crucial role in the Advanced Virgo sensitivity as it is limited by the mirror thermal noise in the mid-frequency region and by the amount of photons collected in the interferometer cavities at high frequencies. The high power circulating in the Fabry-Perot cavities induces important thermal lensing effect. This thesis is interested first in the thermal lensing effect in the interferometer for different optical configurations. Then we are interested in the mirrors composing the Fabry-Perot arm cavity from the calculation of the requirements in terms of flatness to the realization of the mirrors flatness and its measurement. The mirror flatness should be sub-nanometric in order to limit the optical losses in the Fabry-Perot cavities to reduce the effect of the shot noise and of the diffused light. We will see the correction of the substrates flatness by the so-called corrective coating technique. Finally, we study the uniformity of the dielectric multilayer coating deposition necessary to obtained high-reflective mirrors. We study in particular the planetary motion of the substrates in the coating machine. (author)

Abstract (French)

Les ondes gravitationnelles ont ete predites par Einstein dans sa theorie de la Relativite Generale. Elles sont des perturbations de l'espace-temps que l'on essaie de mettre en evidence par interferometrie laser. Plus precisement les detecteurs sont des interferometres de Michelson de plusieurs km de long combines avec des cavites Fabry-Perot afin d'augmenter la sensibilite de l'instrument. La premiere generation de detecteurs (Virgo, LIGO, GEO) n'a pas permis d'obtenir une detection directe malgre plusieurs phases d'observations en coincidence a la sensibilite prevue. Une seconde generation de detecteurs est actuellement en preparation avec notamment le projet europeen Advanced Virgo. Ce detecteur devrait avoir une sensibilite amelioree d'un ordre de grandeur par rapport a l'interferometre Virgo. Les miroirs de l'interferometre jouent un role primordial dans la sensibilite d'Advanced Virgo puisque celle-ci est limitee a dans les frequences medianes par le bruit thermique des miroirs et aux hautes frequences par la quantite de photons que l'on arrive a collecter dans les cavites de l'interferometre. La haute puissance contenue dans les cavites Fabry-Perot induit des effets de lentille thermique importants. Cette these s'interesse dans un premier temps aux effets de lentille thermique dans l'interferometre pour differentes configurations optiques. Par la suite, nous nous interesserons aux miroirs qui composent les cavites Fabry-Perot depuis la definition des besoins en termes de planeite a la realisation de cette planeite et a sa mesure. La planeite de ces miroirs doit etre sub-nanometrique de facon a limiter les pertes optiques dans les cavites Fabry-Perot et ainsi reduire les effets du bruit de photons et de la lumiere diffusee. Nous verrons la realisation de la correction de la planeite des substrats par la technique dite du traitement correctif. Nous etudierons aussi l'uniformite du depot des couches minces dielectriques necessaires a l'obtention de surface hautement reflechissante avec en particulier l'etude du mouvement planetaire des substrats dans la machine de depots. (auteur)

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Original title (English)
Le detecteur d'ondes gravitationnelles Advanced Virgo: Etude de la configuration optique et developpement des miroirs

Publishing Information

Imprint Pagination
241 p.
Report number
FRNC-TH--12671

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Notes
115 refs.; Available from the INIS Liaison Officer for France, see the INIS website for current contact and E-mail addresses