Silicon Based Mirror Coatings For Gravitational Wave Detectors

Abstract

The detection of gravitational waves opened a novel astronomic and cosmic observation window into the universe. The existing gravitational wave detectors have already provided various scientific results, but so far many questions have remained unanswered. For an in-depth exploration of astrophysical and cosmic sources of gravitational waves, detectors with higher sensitivities are required.

Current detectors are based on large laser interferometers with suspended mirrors, whose distance briefly and periodically changes upon arrival of a gravitational wave. To increase the sensitivity, the thermal noise of the mirror coatings should, among other things, be reduced. Due to large mechanical losses, the materials used so far have only a limited suitability. Thus, alternative materials and techniques for mirror coatings are required. Amorphous silicon as a coating material offers significant potential for a thermal noise reduction. However, in order to utilise amorphous silicon, its optical absorption has to be reduced. Overall, the use of different silicon based technologies could achieve a reduction in thermal noise of at least 32 % at room temperature compared to currently used coatings. Even further improvements can be expected at cryogenic temperatures.

In this thesis, I show how silicon based coatings can potentially be used for the main mirrors of gravitational-wave detectors. I have studied the behaviour of amorphous silicon for different deposition parameters and gained insights into the reduction of optical absorption and the mechanisms behind it. Furthermore, the properties of so called nanolayers consisting of amorphous silicon and silicon dioxide were examined. The background is a possible influence of the layer thickness on the undesirable crystallization caused by the usual heat treatment of coatings. Utilising various bonding and removal techniques, crystalline silicon could form a single, uppermost layer for the mirrors, which was, within the scope of this thesis, applied and investigated for the first time in this field of research. This technology could significantly improve the optical and mechanical properties of the main detector mirrors. However, further steps are required beforehand, such as the production of a complete mirror demonstrator. The investigations carried out in this thesis contribute to the current research, so that the potential improvement in thermal noise by the utilisation of silicon can be fully exploited.

Die Detektion von Gravitationswellen öffnet ein neuartiges astronomisches und kosmisches Beobachtungsfenster ins Universum. Die existierenden Gravitationswellendetektoren haben bereits diverse wissenschaftliche Erkenntnisse erbracht, jedoch blieben bisher viele Fragestellungen unbeantwortet. Für eine tiefgehende Erforschung astrophysikalischer und kosmischer Quellen von Gravitationswellen werden Detektoren mit höheren Sensitivitäten benötigt.

Derzeitige Detektoren basieren auf großen Laserinterferometern mit aufgehängten Spiegeln, deren Abstand sich beim Eintreffen einer Gravitationswelle kurzzeitig periodisch ändert. Zur Erhöhung der Empfindlichkeit soll, unter anderem, das thermische Rauschen der Spiegelbeschichtungen verringert werden. Aufgrund großer mechanischer Verluste sind bisher verwendete Materialien nur begrenzt dazu geeignet und alternative Materialen sowie Techniken für Spiegelbeschichtungen werden daher benötigt. Amorphes Silicium als Beschichtungsmaterial bietet ein erhebliches Potential zur Verringerung des thermischen Rauschens. Allerdings muss zur dessen Verwendung die optische Absorption verringert werden. Insgesamt könnte durch den Einsatz unterschiedlicher siliciumbasierter Technologien eine Reduktion des thermischen Rauschens um mindestens 32 % bei Raumtemperatur gegenüber heute verwendeten Beschichtungen erreicht werden. Bei kryogenen Temperaturen können sogar weitere Verbesserungen erwartet werden.

In dieser Arbeit zeige ich, wie siliciumbasierte Beschichtungen potentiell für den Einsatz auf den Hauptspiegeln von Gravitationswellendetektoren geeignet sein können. Ich habe das Verhalten von amorphem Silicium für unterschiedliche Depositionsparameter untersucht und Erkenntnisse über die Verringerung optischer Absorption sowie die dahinterstehenden Mechanismen erhalten. Des Weiteren wurden die Eigenschaften von sogenannten Nano-Schichten bestehend aus amorphem Silicium und Siliciumdioxid untersucht. Hintergrund ist ein möglicher Einfluss der Schichtdicke auf die unerwünschte Kristallisation durch die übliche Wärmebehandlung von Beschichtungen. Kristallines Silicium könnte mit Hilfe von verschiedenen Füge- und Abtragetechniken eine einzelne, oberste Schicht der Spiegel bilden, was im Rahmen dieser Arbeit erstmals auf diesem Gebiet angewandt und untersucht wurde. Diese Technik könnte die optischen und mechanischen Eigenschaften der Hauptspiegel deutlich verbessern. Allerdings sind vorher weitere Schritte wie die Herstellung eines vollständigen Spiegeldemonstrators erforderlich. Die in dieser Arbeit durchgeführten Untersuchen tragen dazu bei, dass die potentielle Verbesserung des thermischen Rauschens durch die Verwendung von Silizium möglichst vollständig ausgeschöpft werden kann.