Intra-cavity optical and mechanical dissipation of a coating membrane for gravitational wave detectors

The research work of this thesis is motivated by the fact that the next generation of gravitational wave detectors is expected to be limited by the thermal noise of the highly reflective mirror coatings. The latter can be related to the mechanical dissipations of the coating material through the fluctuation dissipation theorem when the system is at thermal equilibrium. This fundamental noise limits the interferometer sensitivity in the detection band between 20 and 200 Hz, therefore it is extremely important to significantly reduce the coating thermal noise to enable the detection of a wider range of sources. Furthermore the coatings have to possess extreme transparency at the operation wavelength, in order not to interact in unwanted ways with the high-power laser circulating into the interferometer. The coating used in gravitational wave instruments are multilayers of amorphous oxides such as Tantala (Ta2O5) and Silica (SiO2). A strong interdisciplinary effort is nowadays being devoted among the international community in developing new materials with an extremely low level of mechanical and optical losses. However, both of these dissipations (mechanical and optical) are so small that they are difficult to be measured on optical coatings, especially at low temperatures, due to uncontrolled interaction with the substrate they are deposited upon. With this thesis project we aim to develop an innovative experimental setup to measure both the optical losses and the mechanical dissipations of a freestanding coating membrane, both at room temperature and in cryogenic conditions. The experimental apparatus that I am using includes a low-vibration cryostat, inside of which a cavity will be installed. The membrane to be tested will be positioned within the optical cavity and made to interact with the intra-cavity field by means of precise nano-positioning systems. Analysing how the cavity parameters change according to the coupling between the membrane and the intracavity field, it is possible to extract both the optical absorption and the mechanical dissipations of the material.

Il lavoro di ricerca di questa tesi è motivato dal fatto che la sensibilità della prossima generazione di rilevatori di onde gravitazionali sarà limitata dal rumore termico dei rivestimenti altamente riflettenti degli specchi. Quest'ultimo può essere correlato alle dissipazioni meccaniche del materiale del rivestimento attraverso il teorema di fluttuazione-dissipazione quando il sistema è in equilibrio termico. Questo rumore fondamentale limita la sensibilità dell'interferometro nella banda di rilevazione tra 20 e 200 Hz, quindi è estremamente importante ridurre significativamente il rumore termico del rivestimento per consentire la rilevazione di una gamma più ampia di fonti. Inoltre, i rivestimenti devono possedere un'estrema trasparenza alla lunghezza d'onda di funzionamento, al fine di non interagire in modi indesiderati con il laser ad alta potenza che circola nell'interferometro. I rivestimenti utilizzati negli strumenti per le onde gravitazionali sono multistrati di ossidi amorfi come Tantala (Ta2O5) e Silice (SiO2). Attualmente, c'è uno sforzo considerevole nella comunità internazionale per lo sviluppo di nuovi materiali con un livello estremamente basso di perdite meccaniche e ottiche. Tuttavia, entrambe queste dissipazioni (meccaniche e ottiche) sono così piccole che è difficile misurarle sui rivestimenti ottici, specialmente a basse temperature, a causa di interazioni non controllate con il substrato su cui vengono depositati. Con questo progetto di tesi miriamo a sviluppare un setup sperimentale innovativo per misurare sia le perdite ottiche che le dissipazioni meccaniche di una membrana free-standing, sia a temperatura ambiente che in condizioni criogeniche. L'apparato sperimentale utilizzato include un criostato a bassa vibrazione, all'interno del quale sarà installata una cavità. La membrana da testare sarà posizionata all'interno della cavità ottica e fatta interagire con il campo risonante nella cavità. Analizzando come i parametri della cavità cambiano in base all'accoppiamento tra la membrana e il campo risonante, è possibile estrarre sia l'assorbimento ottico che le dissipazioni meccaniche del materiale.