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生時，所產生的引力波可以在地球上被探測到。經過50年的科學研究和技術發展，我們已經能夠感知引力波。

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）為先進維爾戈開發了一種新型的儀器擋板。該擋板已經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）后的粗糙度數值（左側）。

這種表征提供了每種表面處理方式對粗糙度數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，還對面積參數進行了探索，以供未來研究使用。SensoPRO軟件使得尋找能夠區分不同表面的粗糙度參數變得容易。因此，對三組數據同時進行分析，并根據ISO 25178標準計算了粗糙度參數。結果如圖5所示，展示了能夠區分不同表面的潛在粗糙度參數（以綠色評級表示）。

圖5. 對三個分析數據集計算得出的參數的區分度評估。綠色表示良好的區分度，黃色表示中等，紅色表示低

此外，SensoPRO可以顯示兩個參數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。