Le schéma optique

Advanced Virgo est un interféromètre laser doté de deux bras perpendiculaires de 3 km de long. Cet instrument, dans cette configuration, est parfaitement adapté à la mesure de l’infime effet produit par les ondes gravitationnelles lorsqu’elles traversent le détecteur.

Le changement de longueur du bras causé par le passage d’une onde gravitationnelle est proportionnel à la longueur du bras lui-même, ainsi qu’à l’amplitude de l’onde. Cela signifie que plus les bras du détecteur sont longs, plus le signal à mesurer est important, ce qui rend la détection moins difficile.

Les Cavités Fabry-Perot

Comme indiqué ci-dessus, les bras de Virgo mesurent 3 km de long, mais la lumière laser qui voyage à l’intérieur des bras couvre une distance beaucoup plus grande avant de se recombiner au niveau du séparateur de faisceau. En effet, à l’intérieur des bras, la lumière est réfléchie environ 300 fois d’un bout à l’autre du bras. Cela est possible grâce à la mise en œuvre de résonateurs optiques (appelés cavités de Fabry-Perot) le long de chaque bras, et implique l’ajout d’un miroir supplémentaire au début de chaque bras, près du séparateur de faisceau. Ainsi, chaque bras possède deux miroirs : le miroir d’entrée, juste après la séparatrice, et le miroir de fin, à l’extrémité opposée du bras.

l’interféromètre fonctionnant sur la frange sombre, la lumière qui est recombinée par le séparateur de faisceau après avoir voyagé le long des bras retourne vers la source laser. Au lieu d’être bloquée, cette lumière est réfléchie afin d’être réinjectée dans l’interféromètre grâce à un miroir supplémentaire placé en aval entre le séparateur de faisceau et la source laser. Ce miroir, appelé recyclage de puissance, permet d’augmenter la puissance lumineuse d’un facteur 30. Nous recyclons également le signal des ondes gravitationnelles : pour ce faire, nous ajoutons un miroir supplémentaire après le séparateur de faisceau, avant de détecter la figure d’interférence. Ce miroir est appelé miroir de recyclage du signal. Advanced Virgo est donc conçu comme un interféromètre de Michelson à double recyclage.

La configuration optique d’Advanced Virgo comprend deux systèmes supplémentaires : le nettoyeur de mode d’entrée et la réduction du bruit quantique. Le premier est nécessaire pour améliorer la qualité du faisceau laser circulant dans l’interféromètre, en termes de stabilité, de focalisation du faisceau, de forme spatiale et de pureté en fréquence. Le second est un système complexe destiné à réduire les bruits dus à la nature quantique de la lumière.

L’injection

Dans Advanced Virgo, la partie du détecteur qui achemine le faisceau laser dans l’interféromètre avec la puissance, la taille et la stabilité requises est appelée « l’injection ». Elle comprend toutes les parties situées entre la source laser infrarouge (longueur d’onde de 1μm) et le cœur de l’interféromètre et garantit que le faisceau laser d’entrée aura toutes les propriétés nécessaires pour contrôler l’interféromètre avec un très faible bruit. Un élément clé de l’injection est la cavité optique de 150 m de long, appelée nettoyeur de mode d’entrée: son but est de garantir un faisceau laser bien défini, stable en position et dans sa forme. Enfin, avant les cavités de recyclage, un télescope agrandit le faisceau laser d’un facteur 20 pour qu’il corresponde à la taille requise du faisceau dans la partie centrale du détecteur.

Les Cavités des bras

Les deux résonateurs optiques situés le long des bras perpendiculaires (et appelés « cavités des bras ») donnent à Virgo sa forme caractéristique en L et sont parmi les composants les plus critiques du détecteur. Chaque cavité est formée par deux miroirs exceptionnels, d’une masse de 42 kg chacun, l’un à l’entrée, près du séparateur de faisceau, et l’autre 3 km plus loin qui réfléchit toute la lumière vers le séparateur de faisceau. Les cavités sont des résonateurs optiques dans le sens où la lumière entre les deux miroirs se propage en réalisant de multiples allers-retours, améliorant à chaque fois un peu plus le signal gravitationnel. Par exemple, dans Virgo, le signal des ondes gravitationnelles est amplifié d’un facteur 300 environ grâce aux cavités des bras.

Pour améliorer les performances de l’interféromètre, la surface de chaque miroir est polie au niveau atomique, ce qui réduit la quantité de lumière diffusée. Le revêtement de la surface du miroir est également spécial pour réfléchir toute la lumière avec une absorption très limitée et n’induisant aucune distorsion lumineuse. Ces miroirs ont été appelés (abusivement) l’optique parfaite. Grâce à la qualité de ces miroirs, la quantité de lumière laser perdue au cours d’un aller-retour dans la cavité (soit 6 km) est inférieure à 0,01 %. More details here.

La détection

Dans Advanced Virgo, la partie du détecteur chargée d’extraire le signal gravitationnel de l’intégralité du signal est appelée « détection » . Elle fournit également une grande partie des signaux permettant de contrôler l’interféromètre et de le maintenir à son point de fonctionnement. Comme pour d’autres parties d’Advanced Virgo, le contrôle du bruit est essentiel, c’est pourquoi tous les composants optiques de la détection sont isolés des mouvements du sol par suspension des bancs optiques sur lesquels ils reposent: ces bancs sont sous vide pour éviter la poussière et les bruits acoustiques. À la sortie de l’interféromètre, un télescope est utilisé pour réduire la taille du faisceau d’un facteur 40 afin d’obtenir une taille de laser compatible avec les photorécepteurs, appelés photodiodes. Une cavité optique plus petite, appelée « nettoyeur de mode de sortie », est placée avant la dernière photodiode où le signal des ondes gravitationnelles est enregistré. Cette cavité filtre la lumière pour éliminer les signaux parasites et ne transmettre que la lumière laser susceptible de contenir le signal d’onde gravitationnelle.