Введение к работе
Актуальность проблемы
При измерении малых сил различной природы в физических экспериментах и технических приложениях часто используются пробные тела. Они могут представлять собой свободные массы или входить в состав механических осцилляторов. Свободные массы используются в лазерных интерферометрических детекторах, создаваемых для поиска гравитационных волн - одной из интереснейших задач современной экспериментальной физики, а механические микроосцилляторы являются ключевым элементом атомно-силовых микроскопов -важнейшего инструмента для изучения микро и наносистем.
Предельно достижимая чувствительность в таких измерениях зависит от степени изоляции пробных тел от различных флуктуационных воздействий. Так, уменьшение диссипативной связи с термостатом позволяет, согласно флук-туационно-диссипационной теореме, снизить влияние тепловых флуктуации (называемых обычно, по аналогии с радиофизическими системами, "тепловыми шумами"). В экспериментах с пробными телами для уменьшения диссипативной связи необходимо повышать добротность всех мод колебаний, как собственно пробного тела, так и его опоры (подвеса).
В твердых телах тепловые колебания не являются единственным источником энергии, способным оказывать флуктуационное воздействие. Упругая энергия микротрещин, дислокаций и других структурных дефектов также может, при определенных условиях, трансформироваться в кинетическую энергию пробного тела. Флуктуации, вызываемые такими процессами, можно назвать механическими избыточными шумами. В настоящее время не существует универсальной теории для предсказания характеристик таких шумов. Для оценки их влияния в каждом конкретном случае необходимы экспериментальные исследования.
При исследовании механических избыточных шумов особый интерес представляют тонкие нити из различных материалов. Такие нити давно применяются в качестве подвесов пробных тел. Например, тонкая стеклянная нить использовалась П.Н.Лебедевым в его опытах по измерению светового давления. Флуктуации, возникающие в нитях подвеса, приводят к непосредственному силовому воздействию на пробное тело. Если уменьшить массу пробного тела, то
отклик на это воздействие будет больше. Можно даже перейти от наблюдений за движением пробного тела к регистрации колебаний самой нити. Амплитуда колебаний высокодобротных струнных мод будет изменяться под влиянием внутренних флуктуации в нити.
Во многих экспериментах необходимо, чтобы масса пробного тела была как можно меньше. В частности, использование высокодобротных микроосцилляторов может позволить продемонстрировать квантовое поведение макроскопических объектов и применить методы квантовых невозмущающих измерений. Для маятников на нитях из высокочистого плавленого кварца диаметром порядка 100 мкм была достигнута добротность ~ 2 108, но вопрос о максимально достижимой добротности и, соответственно, применимости нитей малых (менее 10 мкм) диаметров оставался открытым.
Дополнительным источником механических флуктуации могут быть структурные изменения, происходящие в твердом теле под воздействием сильных внешних полей. Так, на зеркалах лазерных гравитационно-волновых детекторов второго поколения плотность мощности составит ~ 10 кВт/см2. Учитывая высокую чувствительность таких детекторов, даже незначительные локальные структурные изменения в зеркалах, вызванные, например, взаимодействием излучения и неоднородностей структуры зеркал, могут стать источником дополнительного шума в выходном сигнале детектора.
Объект исследования
Высокодобротные механические моды колебаний в подвесах пробных тел, используемых в прецизионных экспериментах, механические осцилляторы, диэлектрические зеркала.
Предмет исследования
Механические флуктуации в высокодобротных модах колебаний подвесов пробных тел, потери в механических осцилляторах, неоднородности в диэлектрических зеркалах.
Цель работы
Целями данной диссертационной работы были экспериментальное исследование тепловых и избыточных механических шумов в нитях подвесов пробных тел, определение ограничений, накладываемых этими шумами на предельную чувствительность экспериментов с пробными телами; измерение предельной
добротности механических микроосцилляторов; изучение дефектов в многослойных диэлектрических зеркалах и взаимодействия лазерного излучения с ними.
Задачи исследования
Достижение поставленных целей осуществлялось путем решения следующих основных задач:
теоретического анализа механизмов возникновения избыточных шумов;
разработки методик и создания экспериментальных установок для измерения амплитудных и временных характеристик механических шумов;
экспериментального исследования зависимости характеристик механических шумов от различных факторов, таких как величина приложенного натяжения, размеры, предыстория образца;
совершенствования технологии изготовления высокодобротных механических осцилляторов;
экспериментального измерения времен релаксации для различных мод высокодобротных микроосцилляторов;
разработки и создания автоматизированного комплекса для диагностики отражающих покрытий;
Научная новизна
-
Разработаны и апробированы новые методы измерений, позволяющие исследовать тепловые и избыточные (не теплового происхождения) механические флуктуации в высоко добротных (Q = 104 -т- 107) модах колебаний нитей и проволок в диапазоне частот от 100 Гц до 3 кГц с разрешением по амплитуде от Ю-10 до Ю-13 см/уТц.
-
Обнаружен новый вид механических шумов в струнных модах колебаний металлических нитей - избыточный механический шум, определены условия его возникновения и статистические характеристики.
-
Предложен и реализован новый тип датчиков натяжения кварцевых нитей на основе деформируемого оптического диэлектрического резонатора с модами типа "шепчущей галереи". Достигнутая чувствительность к относительным вариациям натяжения составила 6а/а ~ 1 Ю-11 І/уТц в диапазоне частот от 10 до 100 кГц для нитей толщиной от 10 до 200 мкм.
-
Разработана оригинальная технология изготовления механических осцилляторов из плавленого кварца с диэлектрическими зеркалами, позволяющая сохранять как высокую (до 107) добротность механических мод, так и большую отражающую способность (1 — R < Ю-2) зеркал.
-
Впервые достигнуты значения добротности основной струнной моды колебаний (9.2 ± 0.9) 106 (диаметр 2.5 ± 0.5 мкм) и маятниковой моды (1.9±0.2) 107 (диаметр 1.7±0.2 мкм) для осцилляторов, представляющих собой груз подвешенный на кварцевой нити диаметром 1.5 - 2.5 мкм.
Научно-практическая ценность работы
Полученные данные об избыточных шумах в стальных нитях были использованы при реализации международного проекта по созданию лазерных интерфе-рометрических детекторов гравитационных волн первого поколения (LIGO-I).
Информация о наличии и уровне избыточных шумов в кварцевых нитях позволяет оценить максимально достижимый уровень чувствительности интер-ферометрических детекторов. Можно утверждать, что избыточные шумы, связанные с процессами в нитях подвеса, не должны препятствовать достижению запланированной чувствительности в детекторах второго поколения (LIGO-II).
Предложенный новый тип датчиков натяжения кварцевых нитей на основе деформируемого оптического диэлектрического резонатора с модами типа "шепчущей галереи" может быть использован для создания оптико-механических сенсоров и неразрушающего контроля качества оптических волокон.
Микроосцилляторы с высокой механической добротностью могут быть использованы при постановке новых экспериментов, в том числе по реализации квантово-невозмущающих измерений механических величин.
Результаты и полосисения, выносимые на защиту
1. Разработанный и реализованный комплекс экспериментальных методов
для измерения амплитуды механических колебаний в подвесах с нитями
диаметром от 20 до 100 мкм, позволяющий:
получать чувствительность, достаточную для регистрирации изменений амплитуды, составляющих порядка ~ 1% от среднеквадратичной амплитуды равновесных тепловых колебаний
осуществлять обнаружение избыточных механических шумов
определять условия использования таких нитей в качестве подвесов пробных тел в лазерных интерферометрических гравитационно-волновых антеннах и в других прецизионных приборах.
-
Результаты измерений, показавшие, что в струнных модах колебаний нитей из вольфрама и стали могут возникать нестационарные избыточные механические шумы, превышающие равновесные тепловые флуктуации. Экспериментально установленная связь порога возникновения и интенсивности этих шумов с величиной приложенного натяжения.
-
Результаты измерений, показавшие, что распределение вариаций амплитуды для механических шумов в высокодобротных модах подвесов зеркал на нитях из плавленого кварца соответствует равновесным тепловым флуктуациям (при временах усреднения Ю-4 и более от времени релаксации).
-
Предложенный и реализованный метод измерения натяжения на основе использования деформируемого оптического диэлектрического резонатора с модами типа "шепчущей галереи", позволяющий регистрировать флуктуации натяжения кварцевых нитей на уровне Ас/с ~ 1-Ю-111/уТц в диапазоне частот от 10 до 100 кГц.
-
Результаты измерений, показавшие, что рекордные значения добротности микромаятников составляют (1.9 ± 0.2) 107 для маятниковой моды,
(9.2±0.9) 106 для основной струнной моды колебаний маятников на кварцевых нитях диаметром ~ 2 мкм и что они определяются поверхностными потерями.
6. Разработанный и реализованный метод диагностики неоднородностей многослойных отражающих диэлектрических покрытий с пространственным разрешением порядка длины волны (1 мкм), позволяющий регистрировать отклонения коэффициентов пропускания и рассеяния с относительной погрешностью ~ 0.5%. Результаты исследования покрытий на основе ТагОб/б'гОг, полученные с его помощью.
Апробация работы
Основные результаты исследований, представленные в диссертации, докладывались на следующих международных конференциях и семинарах:
Международной конференции по общей теории относительности и гравитации (9th Marsel Grossmann meeting on General Relativity and Gravitation, Иерусалим, 1997).
Международных конференциях по гравитационным волнам (Edoardo Amaldi conferences on gravitational waves: Перт, 2001; Пиза 2003).
Международной конференции по лазерной оптике и фотонике (LASE 2002 Symposium: Photonics West, Сан-Хосе, 2002).
Международных конференциях по лазерным детекторам гравитационных волн (LSC meetings: Ханфорд, 2004; Ливингстон, 2005; Ханфорд, 2006; Батон Руж, 2007; Пасадена, 2008).
Научных семинарах факультета физики и астрофизики Калифорнийского
технологического института (Пасадена: 2004, 2005, 2006, 2007).
— Ломоносовских чтениях (Москва, 2005).
Публикации
Научные результаты исследований изложены в 33 печатных работах, список которых приведен в конце автореферата.
Личный вклад автора
Автором осуществлялся выбор направлений, объектов и методов исследования. Все использованные экспериментальные установки были предложены и спроектированы автором, собраны и отлажены под его руководством. Изложенные в диссертации оригинальные результаты получены автором лично, либо при его непосредственном участии.
Структура работы
Диссертация состоит из введения, восьми глав, списка основных полученных результатов, списка литературы и заключения. Работа изложена на 188 страницах, включает 58 рисунков, 10 таблиц и список литературы из 151 наименования.
