Synthèse de couches optiques par co-dépôt pour les miroirs de LIGO

Abstract

En 2015, le Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) a observé pour la première fois des ondes gravitationnelles générées par la fusion de deux trous noirs. Cette observation résulte de 40 ans d’efforts afin de réduire au minimum les sources de bruit qui affectent l’interféromètre. À ce jour, la sensibilité de LIGO, dans son domaine de fréquence le plus sensible, est limitée par la granularité de la lumière d’une part et, d’autre part, par un phénomène de fluctuations thermiques résultat de la dissipation mécanique dans les couches minces qui constituent ses miroirs, en particulier dans le matériau ayant un haut indice de réfraction : l’oxyde de tantale. Une amélioration de la sensibilité permettrait d’observer davantage d’événement, d’autres phénomènes gravitationnels, ainsi que des détails importants permettant de mieux les comprendre. Ce mémoire présente les résultats de nos recherches afin de diminuer le bruit causé par la dissipation mécanique interne dans les couches à haut indice de réfraction. Pour ce faire, des couches d’oxyde de tantale ont été dopées soit au zirconium ou à la fois au zirconium et au titane, par co-dépôt. Des couches avec différentes quantités de dopant ont été synthétisées par pulvérisation cathodique magnétron sur des substrats de silice semblables à ceux de LIGO. Par la suite, la dissipation mécanique, l’épaisseur, la rugosité, la composition, la densité surfacique, et la microstructure ont été caractérisées par suspension nodale, ellipsométrie résolue spectralement, spectrométrie de rétrodiffusion de Rutherford et la spectroscopie Raman. Il appert que le zirconium permet d’augmenter la température de recuit avant la cristallisation, ce qui permet de diminuer plus amplement la dissipation mécanique interne, mais ne change pas la dissipation à une température de recuit donnée. Il a aussi été déterminé que la concentration de titane permettait de diminuer l’angle de perte, peu importe la concentration de zirconium. Une combinaison des deux dopages et un recuit à haute température permet ainsi de recuire par un facteur d’environ 1.5 la dissipation mécanique interne. La différence de coefficient d’expansion thermique durant les recuits à haute température induit cependant des problèmes de craquement des couches, partiellement résolus par l’application d’une couche de recouvrement en silice.

In 2015, the Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) observed for the first time gravitational waves generated by the merger of two black holes. This observation was the resut of 40 years of efforts to minimize the noise source which affect the the interferometer. To this date, the sensitivity of LIGO, in its most sensitive frequency domain, is limited by the granularity of the light on one hand, on the other, by a phenomenon of thermal fluctuations resulting from the mechanical dissipation in the thin film of the miroir, in particular in the high refractive index material: tantala. An improvement of the sensitivity would allow the measurement of more events, other gravitational phenomena and some details that would result in a better understanding. This master’s thesis presents results of our research to reduce the noise caused by internal mechanical dissipation in high refractive index layers. To do so, tantala layers were doped with either zirconium and titanium by co-deposition. Layers with different amounts of dopant were synthesized by magnetron sputtering on fused silica substrate similar to those of LIGO. Subsequently, mechanical dissipation, thickness, roughness, composition, areal density and microstructure were characterized by gentle nodal suspension, spectrally resolved ellipsometry, Rutherford backscattering spectroscopy, and Raman spectroscopy. It appears that zirconium allows the annealing temperature to be increased before crystallization which further decreases internal mechanical dissipation, but does not change dissipation at a given annealing temperature. It was also determined that the concentration of titanium reduced the loss angle regardless of the zirconium concentration. A combination of the two dopant and high annealing temperatures thus enables the internal mechanical dissipation to be lower by a factor of 1.5.The difference in thermal expansion coefficient during high temperature annealing, however, induces layer cracking problems, partially resolved by the application of a silica cap.