Sensofar共聚焦白光干涉儀 | 用于維爾戈干涉儀儀器擋板的粗糙度表征

引力波是時空織物中的波動。當重要的宇宙事件如超新星爆炸或黑洞之間的相互作用發(fā)生時，所產(chǎn)生的引力波可以在地球上被探測到。經(jīng)過50年的科學研究和技術發(fā)展，我們已經(jīng)能夠感知引力波。

先進維爾戈是一個巨大的邁克爾遜干涉儀，能夠探測到引力波（圖1）。它有兩條垂直的長達3公里的臂，懸掛的鏡子和其他必要的儀器來組成一個干涉儀。引力波通過懸掛的鏡子的運動來改變光束的光學路徑。光學路徑隨之改變，形成了干涉圖樣。

圖1. 先進維爾戈探測器的圖片。由EGO Virgo提供。

巴塞羅那高能物理研究所（IFAE）為先進維爾戈開發(fā)了一種新型的儀器擋板。該擋板已經(jīng)安裝在輸入模式凈化器（IMC）腔的端鏡前（圖2）。它的目的是吸收到達其表面的雜散光。未被吸收的一小部分會散射到IMC塔的壁上。鏡面的粗糙度會導致光在未知方向上發(fā)生不可預測的散射。如果這些光與主光束重新疊加，可能會偽造出引力波信號。

圖 2. Advanced Virgo 儀表擋板的安裝圖片。 圖片來源：IFAE。

儀器擋板表面拋光質(zhì)量的確定

在巴塞羅那高能物理研究所（IFAE），使用S neox光學輪廓儀來確定用于構建儀器擋板的拋光不銹鋼表面的粗糙度。具體而言，在進行不同的表面處理（如拋光和孔加工）后進行了測量（圖3）。

圖3. 進行表征的樣本。

對于測量樣本，僅使用相移干涉術（PSI）這種在S neox中可用的干涉模式才能滿足分辨率和重復性的要求。這種光學技術具有極低的測量噪聲，甚至可達到0.1埃的水平。這對于分析超光滑表面非常理想，這些表面的Ra值低于10納米（圖4）。

平板擋板

試驗樣品

圖4. 樣本的地形圖像和輪廓（右側）。在應用ISO 4287標準（截止值為80微米）后的粗糙度數(shù)值（左側）。

這種表征提供了每種表面處理方式對粗糙度數(shù)值及其散射特性的影響信息。就此而言，在安裝到維爾戈干涉儀的擋板上，擋板的平均粗糙度必須小于Ra=0.0069微米。儀器擋板滿足了這一要求。

此外，還對面積參數(shù)進行了探索，以供未來研究使用。SensoPRO軟件使得尋找能夠區(qū)分不同表面的粗糙度參數(shù)變得容易。因此，對三組數(shù)據(jù)同時進行分析，并根據(jù)ISO 25178標準計算了粗糙度參數(shù)。結果如圖5所示，展示了能夠區(qū)分不同表面的潛在粗糙度參數(shù)（以綠色評級表示）。

圖5. 對三個分析數(shù)據(jù)集計算得出的參數(shù)的區(qū)分度評估。綠色表示良好的區(qū)分度，黃色表示中等，紅色表示低

此外，SensoPRO可以顯示兩個參數(shù)如何組合形成散點圖，以查看可能的相關性（圖6）。

得益于S neox，拋光技術得以獲得認證：擋板滿足了所需的平均粗糙度要求，即Ra = 0.0069微米。加上總集成散射在500到800ppm之間，使其符合維爾戈干涉儀的安裝要求。