L’ultimo decennio ha visto l’aumento dei rilevatori di onde gravitazionali (GW) terrestri di seconda generazione (”Advanced”). Miglioramenti progettuali e aggiornamenti tecnologici hanno aperto la strada alla prima rilevazione diretta di GW da parte della rete globale costituita dai due strumenti a LIGO (LIGO Scientific Collaboration 2015) (situati negli USA: Hanford, WA e Livingston, LA) e dal Advanced Virgo detector (Acernese, F. et al. 2015) (situato a Cascina, Italia). I principali risultati raggiunti dalla collaborazione scientifica LIGO e dalla collaborazione Virgo – recente mente affiancata dalla collaborazione KAGRA (situata a Kamioka, in Giappone, sotto il monte Ikenoue) – includono il primo rileva mento di una fusione binaria di buchi neri (GW150914 (Abbott, R. et al. (LVK Collaboration) 2016)); il primo rilevamento di una fusione di stelle di neutroni binarie (BNS) (GW170817 (Abbott, R. et al. (LVK Collaboration) 2017)) che ha portato alla nascita dell’astronomia multi-messaggero con GW (Hartley 2017); e ora numerosi rilevamenti di fusioni binarie compatte che si sommano in un GW Transient Catalog regolarmente aggiornato (Abbott, R. et al. (LVK Collaboration) 2019)- (Abbott, R., . . . and De Simone, R., et al. (LVK Collaboration) 2021). Questi rileva menti contribuiscono ad aprire una nuova finestra sull’Universo fornendo informazioni sulle popolazioni di oggetti compatti e sulla frequenza di eventi di fusione binaria (Abbott, R. et al. (LVK Collaboration) 2021a); consentono inoltre agli scienziati di eseguire importanti test di relatività generale (Abbott, R. et al. (LVK Collaboration) 2021b) in presenza di campi gravitazionali di intensità mai misurata precedentemente. Advanced Virgo è un interferometro Michelson a riciclo di energia con cavità Fabry-Perot nei suoi bracci lunghi 3 km. Misurando la figura interferometrica dovuta alle differenze di lunghezza tra gli specchi nei bracci dell’interferometro, vengono identificate le onde gravitazionali. Per tanto, per rilevare le onde gravitazionali sono stati progettati interferometri molto sensibili che misurano con precisione la distanza tra le masse di prova sospese rivestite per funzionare come specchi altamente riflettenti. Una sfida fondamentale `e l’ottimizzazione degli specchi per i rivelatori di onde gravitazionali. E impor- ` tante individuare una configurazione dello specchio che produca la minima quantità di rumore aggiuntivo (termico) oltre alla tipica richiesta di progettazione dell’ottimizzazione dello specchio per ottenere un’elevata riflettanza in una data gamma di frequenza e di spettro angolare. E ben noto che gli specchi ad alta riflettanza sono tipicamente costituiti da multistrati di materiali alternati a basso e alto indice di rifrazione, in cui ogni strato ha uno spessore di un quarto d’onda alla frequenza operativa. Di conseguenza, una semplice formulazione del problema di ottimizzazione del rivestimento per la progettazione di specchi dielettrici a basso rumore può comportare la ricerca della sequenza di spessori dei materiali selezionati che compongono gli specchi che minimizzano il rumore termico mantenendo la trasmittanza al di sotto di un valore di soglia specificato. Per migliorare le prestazioni delle strutture multistrato, `e stato formulato e risolto un altro progetto che consiste nello scoprire (sintetizzare e ottimizzare) materiali ottimizzati che hanno un maggiore contrasto ottico, minori perdite ottiche e meccaniche e che consentono il raggiungimento di una specifica trasmittanza con un basso numero strati, risultando in rivestimenti più sottili e meno rumorosi e rinunciando al vincolo di avere solo due materiali costituenti e, quindi, introducendo un nuovo design multimateriale ternario. E stata inoltre effettuata ` una verifica della robustezza rispetto all’imprecisione del processo di deposizione. Inoltre, nessuno dei materiali presenti in natura e studiati in questo momento si qualifica come un diretto sosti tuto dei materiali attualmente in uso con le più alte perdite ottiche (T iO2-dopata T a2O5 nelle attuali configurazioni), poiché alcuni di essi sono migliori in termini di alcune proprietà (ad es. densità ottica e/o perdite meccaniche), mentre purtroppo peggiori per altre. Il materiale ottimale può essere sintetizzato utilizzando strutture Nanostratificate, Nanolayered structure (NL), con spessore e indice di rifrazione equivalente che devono essere scelti ad hoc per soddisfare le condizioni imposte: a questo scopo `e stata introdotta una procedura di omogeneizzazione innovativa basata su una consolidata tecnica, il metodo di Abelès. La tecnica proposta pur presentando alcuni difetti teorici `e stato veri ficato che funziona bene sotto certi presupposti. Inoltre, questa tecnica ha il vantaggio di essere facilmente implementabile in lab oratorio, con l’inconveniente di poterla applicare ad una singola lunghezza d’onda. Si sta ora esplorando un approccio innovativo per costruire uno schema di rilevamento molto sensibile utilizzando l’interferometria differenziale in grado di effettuare misure di alta precisione: Quadrature Differential Phase Interferometer. [a cura dell'Autore]
Analysis and Design of Dielectric Multilayers for High-Efficiency Optical Coatings / Roberta De Simone , 2023 May 29., Anno Accademico 2021 - 2022. [10.14273/unisa-5366].
Analysis and Design of Dielectric Multilayers for High-Efficiency Optical Coatings
De Simone, Roberta
2023
Abstract
L’ultimo decennio ha visto l’aumento dei rilevatori di onde gravitazionali (GW) terrestri di seconda generazione (”Advanced”). Miglioramenti progettuali e aggiornamenti tecnologici hanno aperto la strada alla prima rilevazione diretta di GW da parte della rete globale costituita dai due strumenti a LIGO (LIGO Scientific Collaboration 2015) (situati negli USA: Hanford, WA e Livingston, LA) e dal Advanced Virgo detector (Acernese, F. et al. 2015) (situato a Cascina, Italia). I principali risultati raggiunti dalla collaborazione scientifica LIGO e dalla collaborazione Virgo – recente mente affiancata dalla collaborazione KAGRA (situata a Kamioka, in Giappone, sotto il monte Ikenoue) – includono il primo rileva mento di una fusione binaria di buchi neri (GW150914 (Abbott, R. et al. (LVK Collaboration) 2016)); il primo rilevamento di una fusione di stelle di neutroni binarie (BNS) (GW170817 (Abbott, R. et al. (LVK Collaboration) 2017)) che ha portato alla nascita dell’astronomia multi-messaggero con GW (Hartley 2017); e ora numerosi rilevamenti di fusioni binarie compatte che si sommano in un GW Transient Catalog regolarmente aggiornato (Abbott, R. et al. (LVK Collaboration) 2019)- (Abbott, R., . . . and De Simone, R., et al. (LVK Collaboration) 2021). Questi rileva menti contribuiscono ad aprire una nuova finestra sull’Universo fornendo informazioni sulle popolazioni di oggetti compatti e sulla frequenza di eventi di fusione binaria (Abbott, R. et al. (LVK Collaboration) 2021a); consentono inoltre agli scienziati di eseguire importanti test di relatività generale (Abbott, R. et al. (LVK Collaboration) 2021b) in presenza di campi gravitazionali di intensità mai misurata precedentemente. Advanced Virgo è un interferometro Michelson a riciclo di energia con cavità Fabry-Perot nei suoi bracci lunghi 3 km. Misurando la figura interferometrica dovuta alle differenze di lunghezza tra gli specchi nei bracci dell’interferometro, vengono identificate le onde gravitazionali. Per tanto, per rilevare le onde gravitazionali sono stati progettati interferometri molto sensibili che misurano con precisione la distanza tra le masse di prova sospese rivestite per funzionare come specchi altamente riflettenti. Una sfida fondamentale `e l’ottimizzazione degli specchi per i rivelatori di onde gravitazionali. E impor- ` tante individuare una configurazione dello specchio che produca la minima quantità di rumore aggiuntivo (termico) oltre alla tipica richiesta di progettazione dell’ottimizzazione dello specchio per ottenere un’elevata riflettanza in una data gamma di frequenza e di spettro angolare. E ben noto che gli specchi ad alta riflettanza sono tipicamente costituiti da multistrati di materiali alternati a basso e alto indice di rifrazione, in cui ogni strato ha uno spessore di un quarto d’onda alla frequenza operativa. Di conseguenza, una semplice formulazione del problema di ottimizzazione del rivestimento per la progettazione di specchi dielettrici a basso rumore può comportare la ricerca della sequenza di spessori dei materiali selezionati che compongono gli specchi che minimizzano il rumore termico mantenendo la trasmittanza al di sotto di un valore di soglia specificato. Per migliorare le prestazioni delle strutture multistrato, `e stato formulato e risolto un altro progetto che consiste nello scoprire (sintetizzare e ottimizzare) materiali ottimizzati che hanno un maggiore contrasto ottico, minori perdite ottiche e meccaniche e che consentono il raggiungimento di una specifica trasmittanza con un basso numero strati, risultando in rivestimenti più sottili e meno rumorosi e rinunciando al vincolo di avere solo due materiali costituenti e, quindi, introducendo un nuovo design multimateriale ternario. E stata inoltre effettuata ` una verifica della robustezza rispetto all’imprecisione del processo di deposizione. Inoltre, nessuno dei materiali presenti in natura e studiati in questo momento si qualifica come un diretto sosti tuto dei materiali attualmente in uso con le più alte perdite ottiche (T iO2-dopata T a2O5 nelle attuali configurazioni), poiché alcuni di essi sono migliori in termini di alcune proprietà (ad es. densità ottica e/o perdite meccaniche), mentre purtroppo peggiori per altre. Il materiale ottimale può essere sintetizzato utilizzando strutture Nanostratificate, Nanolayered structure (NL), con spessore e indice di rifrazione equivalente che devono essere scelti ad hoc per soddisfare le condizioni imposte: a questo scopo `e stata introdotta una procedura di omogeneizzazione innovativa basata su una consolidata tecnica, il metodo di Abelès. La tecnica proposta pur presentando alcuni difetti teorici `e stato veri ficato che funziona bene sotto certi presupposti. Inoltre, questa tecnica ha il vantaggio di essere facilmente implementabile in lab oratorio, con l’inconveniente di poterla applicare ad una singola lunghezza d’onda. Si sta ora esplorando un approccio innovativo per costruire uno schema di rilevamento molto sensibile utilizzando l’interferometria differenziale in grado di effettuare misure di alta precisione: Quadrature Differential Phase Interferometer. [a cura dell'Autore]I documenti in IRIS sono protetti da copyright e tutti i diritti sono riservati, salvo diversa indicazione.
