L’optique au coeur de VIRGO

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Détecteur VIRGOAdvanced Virgo : des télescopes à la détection multi-messagers

Advanced Virgo est une amélioration majeure du détecteur d’ondes gravitationnelles Virgo – situé près de Pise en Italie -, ayant pour but d’améliorer la sensibilité du détecteur initial d’un ordre de grandeur. Cette amélioration permet d’augmenter la probabilité de détection et d’étendre l’horizon d’analyse.

Cet instrument est un interféromètre de Michelson dont les miroirs sont suspendus. Le laser est séparé en deux par une lame séparatrice, et se propage dans les bras de l’interféromètre, des cavités Fabry-Pérot mesurant 3km de long.

Au passage d’une onde gravitationnelle, l’espace-temps est déformé, et la différence de longueur relative entre les deux bras va être modifiée. Cette différence de longueur – de l’ordre de 10-21m – va impacter la figure d’interférence obtenue en sortie du détecteur.

L’equipe Virgo de l’APC, en étroite collaboration avec le LAPP (sub-system manager du système de Détection), le LMA (responsable des coating des optiques) et EGO (sub-system manager du système d’Injection), est responsable des télescopes pour le détecteur Advanced Virgo, et la suite de cet article va décrire leur but et les contraintes extrêmes de développement, leur design optique et mécanique, leur réalisation, puis l’installation et la mise en fonctionnement de ces derniers.

Objectifs des Télescopes et contraintes extrêmes

Depuis 2010, le détecteur initial Virgo a subi de nombreuses améliorations. Juste pour citer quelques exemples:  la largeur et la masse des miroirs principaux de l’interféromètre ont été augmentées, la finesse des cavités a été modifiée, la largeur du faisceau laser dans les cavités a été doublée, la qualité optique et mécanique des miroirs a été améliorée, plusieurs bancs optiques ont été suspendus et placés sous vide. Cela afin de gagner un ordre de grandeur sur la sensibilité du détecteur initial. 

Les différents objectifs et contraintes sont détaillées ci-dessous:

Objectifs Télescopes

La largeur du faisceau laser, qui permet en particulier de gagner un ordre de grandeur au niveau du bruit thermique, évolue de quelques millimètres au niveau du laser vers 5cm sur les miroirs principaux de l’interféromètre. Cette modification par rapport à Virgo nécessite une modification de tous les télescopes d’entrée et de sortie du détecteur, qui ont pour but de réaliser cette magnification du faisceau avec des contraintes extrêmement drastiques. Ces télescopes sont au nombre de cinq : un en entrée qui permet d’amener le faisceau laser d’injection vers les cavités, un en sortie qui permet de récupérer le faisceau de l’interféromètre vers le mode-cleaner de détection, deux en transmission des miroirs de fond de l’interféromètre qui permettent l’alignement du détecteur et un dans la zone centrale de l’interféromètre qui récupère un pick-off d’une lame compensatrice située devant un miroir d’entrée afin de monitorer le détecteur.

Schéma de l’interféromètre et position des cinq télescopes

Contraintes d'espaces sur les télescopes

Les télescopes doivent être intégrés sur des bancs suspendus de 950mm de diamètre. De nombreux éléments optiques (isolateur de Faraday, mode-cleaner, miroirs, …) sont également nécessaires sur ces bancs, et la place allouée aux télescopes est au maximum de 80 x 30 cm sur chacun des bancs suspendus.

 

Magnification du faisceau optique

Sur le banc suspendu d’injection, la taille du faisceau au niveau de l’isolateur de Faraday est de 2.6 mm. Il doit subir une magnification de 19 afin d’obtenir une taille de 48.7mm au niveau du miroir d’entrée de l’interféromètre et 57mm au niveau du miroir de sortie.

 

Sur le banc suspendu de détection, le faisceau provenant de l’interféromètre doit être amené à une taille d’environ 300µm au niveau du mode-cleaner. La stratégie est de diminué le faisceau à 1.3mm (magnification de 38) puis d’ajouter une ou deux optiques supplémentaires afin d’obtenir la taille requise.

 

Pour les télescopes de bouts de bras et pick-off, le faisceau doit également subir une magnification très importante afin de passer de 57mm (bouts de bras) ou 48.7mm (pick-off) à environ 300µm sur les photodiodes de contrôle.

 

Faisceaux optiques secondaires

L’interféromètre Virgo est un détecteur complexe, et de nombreux faisceaux secondaires sont générés, notamment par les coating Anti-Reflet (AR) des optiques en transmission, et sont conservés puis analysés afin de contrôler et monitorer le détecteur. Particulièrement en sortie, le télescope de détection doit pouvoir séparer le faisceau principal et un de ces faisceaux secondaires pour éviter les couplages et interférences qui perturberaient les signaux.

 

Matching ou couplage des fasiceaux optiques

Le matching, c’est à dire le couplage du faisceau au niveau du télescope avec le mode principal des cavités de l’interféromètre doit être le meilleur possible. En effet, la moindre dégradation peut entraîner du bruit quantique ce qui perturbe la sensibilité du détecteur. De nombreuses analyses ont été menées afin de calculer le matching minimal requis, qui doit se situer au delà de 95% et dans l’idéal supérieur à 99%. Toutes nos simulations optiques ont été définies afin d’obtenir un matching supérieur à 99%.

 

Lumière diffusée

La lumière diffusée par les optiques du détecteur va être modulée par le bruit sismique ou environnemental des bancs suspendus sur lesquels sont placés les télescopes, et dégrader la sensibilité du détecteur (notamment en provoquant des glitch à basse fréquence). Afin de limiter ce problème, extrêmement compliqué à simuler, il faut des optiques d’excellente qualité dont les spécifications – notamment de micro-rugosité – sont déterminées à partir de simulations complexes. La qualité de la suspensions des bancs optiques est prise en considération afin de minimiser le bruit sismique résiduel. Les montures mécaniques sont réalisées sur mesure afin de minimeser les résonances à basse fréquence.

 

Design Optique

La conception du nouveau design optique a été un véritable challenge technologique afin de garantir la magnification du faisceau optique dans un espace aussi réduit et a fait l’objet de deux design différents pour le télescope d’injection et les télescopes de bouts de bras.

Design Telescope Injection

La stratégie de design (après de nombreuses analyses de trad-off) a été d’utiliser une configuration off-axis afin de respecter les contraintes d’espace. Pour réaliser des maginifications si importantes en si peu d’espace, le choix s’est orienté vers un télescope catadioptrique composé de deux miroirs paraboliques et deux lentilles. La partie en réflexion est un système afocal, et la partie en transmission est composée d’une lentille ménisque et d’une lentille convergente située à environ 5m des bancs optiques suspendus. Cette lentille lointaine est en fait le miroir de recyclage en puissance ou en signal dont la face courbe est utilisée comme lentille. La lentille ménisque a été optimisée pour réduire les aberrations obtenues par la courbure des miroirs de recyclage et également pour collimater le faisceau vers le système parabolique afocal. La combinaison des deux miroirs paraboliques est utilisée pour diminuer la taille du faisceau tout en maintenant un niveau d’aberrations extrêmement faible.

Design optique injection

 

Design Optique Telescopes Bouts de Bras

Pour les télescopes de bouts de bras et pick-off, les contraintes de couplage étant légèrement relaxées et l’espace alloué plus important, nous avons choisi un télescope composé d’un doublet (association de deux lentilles) qui permet de compenser les aberrations optiques, de trois miroirs de renvois pour replier le faisceau et d’une lentille pour adapter le faisceau vers les détecteurs.

 Design optique du télescope d'injection

 

 

Conception Mécanique, réalisations et validation

La conception des télescopes du point de vue optique s’appuie sur une mise en oeuvre mécanique de conception, réalisations spécifiques et tests de validation

Conception Mécanique

Du fait des contraintes extrêmes, les montures mécaniques des optiques ont été réalisées à l’APC. Les « ranges » de déplacement (notamment pour compenser les erreurs optiques) doivent permettre d’adapter la distance entre les optiques de quelques centaines de µm à plusieurs dizaines de mm. Les motorisations intégrées sur les montures doivent permettre un alignement en air et sous vide avec des précisions inférieures à la centaine de µm. De plus, les montures doivent être stables dans le temps, et notamment durant la phase d’acquisition de données. La précision de stabilité doit être inférieur à la dizaine de µm pour satisfaire le meilleur couplage du faisceau dans l’interféromètre. Les fréquences de résonance des montures doivent être supérieures à 500Hz afin d’éviter le couplage du bruit de phase dû au bruit au sismique dans le détecteur.

Par ailleurs, une contrainte non négligeable est que le poids total des télescopes (montures et optiques) ne doit pas excéder 20kg.

Les dessins des montures ont été effectués à l’aide du logiciel CATIA et les fréquences de résonance ont été calculées grâce à ANSYS.

 

Réalisations Mécaniques

La réalisation des montures mécaniques des télescopes d’injection et de détection a été réalisée au sein de l’atelier mécanique de l’APC. Durant plus d’un an, le centre d’usinage a été alloué au projet afin de mener à bien la réalisation d’une dizaine de montures.

Une partie des montures, notamment les lentilles du télescope de détection ou encore les miroirs de renvois des télescopes bouts de bras/pick-off ont pu être obtenus dans le commerce, moyennant un choix précis des picomoteurs permettant de contrôler l’alignement tout en n’induisant que très peu de résonance.

Lentille ménisque des télescopes d’injection et de détection. Premier miroir parabolique des télescopes d’injection et de détection Second miroir parabolique des télescopes d’injection et de détection.
Réalisation de la monture de la lentille ménisque (à gauche), du premier miroir parabolique (au centre), et du second miroir parabolique (à droite), pour les télescopes d’injection et de détection.
Tests, Intégration et procédures d'alignement

Afin de vérifier le bon fonctionnement des montures, nous avons réalisés des tests en salle propre (classe ISO8). Nous avons placé les éléments mécaniques dans une enceinte à vide afin de pouvoir valider l’ensemble des montures en air et sous vide, à une pression d’environ 10-3mbar.

Banc optique Monture dans l'enceinte
Banc optique complet de validationdans l'enceinte vide Monture mécanique placée dans l'enceinte à vide

 

 

Performances

L’ensemble des cinq télescopes a été installé sur le site d’Advanced Virgo, entre 2015 et 2016. Pour le télescope d’injection nous avons réussi à obtenir un couplage entre le faisceau d’entrée (provenant de l’isolateur de Faraday) et le mode propre des cavités de l’interféromètre de 98%, assurant un très bon alignement du télescope. Pour le télescope de détection et les bouts de bras/pick-off, des couplages similaires ont été obtenus et l’ensemble des télescopes du détecteur Advanced Virgo permet le bon fonctionnement du détecteur( Ci-dessous les photos des télescopes installés à Virgo)

Deux articles ont été écris, l’un sur le design des télescopes : http://iopscience.iop.org/article/10.1088/1361-6382/aa65e3 , le second sur l’intégration des télescopes : https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/26906579.” (Voir également photo 7 et 13 du diaporama AVIRGO ci-après)
Les télescopes ont un rôle majeur dans le détecteur Advanced Virgo, et leur bon fonctionnement a permis la première détection conjointe LIGO/Virgo le 14 août 2017 provenant de la coalescence de trous noirs : https://journals.aps.org/prl/pdf/10.1103/PhysRevLett.119.141101. Puis le 17 août 2017, une nouvelle détection triangulaire LIGO/Virgo a été associée à plus de 70 détecteurs/observatoires électromagnétiques au sol et dans l’espace, et permet alors de débuter une nouvelle ère : l’astronomie multi-messagers.(https://journals.aps.org/prl/pdf/10.1103/PhysRevLett.119.161101).”

Contact: Christelle Buy (APC) Christelle Buy

 

Animation VIRGO et Upgrade AVIRGO Animation fonctionnement interféromètre

Diaporama Photographies du détecteur VRIGO

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