Besoin de précisions sur LIGO

[saint.112]

Bonjour à toutes et à tous

J'ai bien compris le schéma de principe des détecteurs d'ondes gravitationnelles comme LIGO mais certains détails ne sont pas précisés, du moins dans mes lectures.
Je me réfère à LIGO et en particulier à la section Operation.
Le faisceau laser est divisé en deux et parcourt dans chaque bras 280 allers-retours avant d'être recombiné pour être dirigé sur l'interféromètre. OK.

• Ce qui n'est pas figuré sur les schémas c'est qu'il doit y avoir, je suppose, un miroir au-delà de la lame séparatrice et normal au rayon pour lui faire faire ses allers-retours. Un miroir semi-réfléchissant ?
• Je suppose que les ondes recombinées qui parviennent à l'interféromètre doivent avoir parcouru les mêmes 280 allers-retours et pas 280 pour un bras et un nombre quelconque pour l'autre. Et même, comment s'assure-t-on du nombre de trajets effectués ? Je n'ai trouvé aucune précision sur ce point non plus.
  J'ai pensé à des impulsions brèves du laser, d'une durée inférieure à un aller-retour. On a un train d'ondes d'une longueur double de celles des bras. Autrement il y aurait des interférences dans les bras.
  On ne mesure alors ce qui parvient à l'interféromètre qu'après le temps nécessaire. Mais cela veut dire que le système doit rester silencieux pendant 279/280 du temps. De l'ordre de 7 ms, sauf erreur.
  Ou alors les miroirs de renvoi sont mobiles mais ça parait techniquement difficile.
  Bon, on pourrait aussi numéroter les ondes et ensuite ne faire se recombiner que celles qui ont le même numéro. Mais je ne vois pas bien l'implémentation.
• Je suppose que la position du miroir du fond d'un des bras, voire des deux, doit pouvoir être ajustée pour s'assurer que les longueurs des deux bras sont telles qu'il y a bien interférence… donc on est à une longueur d'onde près, non ? Car ces longueurs doivent évoluer tout le temps.
• Et justement je n'ai rien vu sur la longueur d'onde du faisceau.

Merci d'avance de vos lumières.

Nico
-----

[Gilgamesh]

Le nombre d'aller retour dans ce genre de montage interférométrique (dit de Fabry-Perot) est un nombre moyen, la transmission ou la réflexion du photon à une interface est un phénomène purement quantique, donc soumis au hasard du même métal, mais avec une probabilité qui est se détermine de manière déterministe par le réflexivité du miroir.

Donc il n'y a aucun comptage du nombre d'aller retour, et bien sûr aucun pièce mobile à actionner pour diriger le faisceau.

Oui, les miroir sont positionnés à une longueur d'onde près, et dans la stabilité de leur position se joue toute la précision de la manip.

Les interféromètres LIGO travaillent autours du micron, dans l'IR proche, très précisément à 1064 nm. La stabilité du faisceau tant en puissance qu'en longueur d'onde est essentielle pour atteindre le niveau de précision requis.

https://www.ligo.caltech.edu/page/laser

[saint.112]

OK, merci de ces précisions.

Le nombre d'aller retour dans ce genre de montage interférométrique (dit de Fabry-Perot) est un nombre moyen, la transmission ou la réflexion du photon à une interface est un phénomène purement quantique, donc soumis au hasard du même métal, mais avec une probabilité qui est se détermine de manière déterministe par le réflexivité du miroir.

Autrement dit un photon émis à un instant t peut se trouver dans l'interféromètre avec des photons émis à des moments quelconques. J'avais cru comprendre que la longueur parcourue par les photons avait une importance pour la sensibilité du système.

Les interféromètres LIGO travaillent autours du micron, dans l'IR proche, très précisément à 1064 nm. La stabilité du faisceau tant en puissance qu'en longueur d'onde est essentielle pour atteindre le niveau de précision requis.

J'ai vu dans le lien que tu as donné la technique pour obtenir un faisceau aussi pur que possible. Dingue !
Je suppose que la longueur d'onde des OG détectables est corrélée à celle du faisceau.

J'aurai d'autres questions quand j'aurai lu plus de texte de Caltech.

Merci encore.

Nico

[Gilgamesh]

Autrement dit un photon émis à un instant t peut se trouver dans l'interféromètre avec des photons émis à des moments quelconques. J'avais cru comprendre que la longueur parcourue par les photons avait une importance pour la sensibilité du système.

C'est le cas, mais seulement en moyenne. Je pense qu'on peut faire une belle gaussienne pour représenter la proportion de photons par nombre d'aller retour dans le dispositif.

[A voir en vidéo sur Futura]

[saint.112]

Il me semble que je doive corriger ce que j'ai écrit :

Je suppose que la position du miroir du fond d'un des bras, voire des deux, doit pouvoir être ajustée pour s'assurer que les longueurs des deux bras sont telles qu'il y a bien interférence… donc on est à une longueur d'onde près, non ?

Pour que les faisceaux soient le plus parfaitement en phase je suppose que le réglage doit être à bien moins qu'une longueur d'onde près. Erre-je ?

Sur la page du Caltech What is an Interferometer? on voit bien les miroirs de renvoi mais ça reste très schématique.
En ce qui concerne le nombre d'allers-retours, j'avais cru comprendre que la précision de la mesure augmentait avec la distance parcourue par les photons. Sauf erreur la sensibilité d'eLISA sera due à ses bras de 1 million de km.

Nico

[Gilgamesh]

Il me semble que je doive corriger ce que j'ai écrit :

Pour que les faisceaux soient le plus parfaitement en phase je suppose que le réglage doit être à bien moins qu'une longueur d'onde près. Erre-je ?

Oui, mais la difficulté ce n'est pas tant le positionnement (on va régler ça pour obtenir l'extinction totale au plan focal du dispositif) mais sa stabilité dans le temps.

Sur la page du Caltech What is an Interferometer? on voit bien les miroirs de renvoi mais ça reste très schématique.
En ce qui concerne le nombre d'allers-retours, j'avais cru comprendre que la précision de la mesure augmentait avec la distance parcourue par les photons. Sauf erreur la sensibilité d'eLISA sera due à ses bras de 1 million de km.

Oui mais la précision n'est meilleure que si le dispositif est aussi précis que celui des antennes terrestres, ce qui n'est pas le cas. La sensibilité en amplitude (cad l'allongement relatif minimal détectable) de eLisa est supérieur à celui de Ligo/VIRGO. L'intérêt c'est de pouvoir détecter des longueur d'onde plus grande que sur Terre, où la sensibilité en fréquence est limité à une dizaine de Hz à cause du bruit sismique.

[saint.112]

Oui, mais la difficulté ce n'est pas tant le positionnement (on va régler ça pour obtenir l'extinction totale au plan focal du dispositif) mais sa stabilité dans le temps.

Et il faut voir l'appareillage destiné à stabiliser les miroirs : LIGO Technology !

Oui mais la précision n'est meilleure que si le dispositif est aussi précis que celui des antennes terrestres, ce qui n'est pas le cas. La sensibilité en amplitude (cad l'allongement relatif minimal détectable) de eLisa est supérieur à celui de Ligo/VIRGO. L'intérêt c'est de pouvoir détecter des longueur d'onde plus grande que sur Terre, où la sensibilité en fréquence est limité à une dizaine de Hz à cause du bruit sismique.

OK, merci de ces précisions. Vivement qu'on ait des résultats.
Nico

[adpouf]

Bonjour, je n'ai pas compris en quoi la physique quantique faisait en sorte qu'au bout de 140 allés-retours, le laser puisse traverser le miroir sans être réfléchi.
Merci d'avance pour vos réponses.

[saint.112]

Ce sont des miroirs semi-réfléchissants et donc une partie des photons est réfléchie et l'autre traverse à chaque coup donc à chaque aller-retour.
Nico

[adpouf]

D'accord mais comment LIGO a-t-il fait en sorte que le photon soit réfléchi exactement 280 fois puis que un seul coup il traverse le miroir ?

[saint.112]

C'est justement une des questions que je me posais. En fait, sauf erreur de ma part, si l'on considère tous les photons émis à un instant t, à chaque aller-retour une partie d'entre eux est réfléchie et va vers le récepteur et l'autre traverse et refait un aller-retour. Ce qui fait que le nombre de photons de ce paquet diminue au fur et à mesure et qu'au 280ème coup il ne doit plus en rester beaucoup.
Nico

[adpouf]

J'imagine qu'en moyenne un photon fait 140 allés retours plutôt.

[adpouf]

Et là je suis perdu puisque on parle à la fois de photon et d'onde lumineuse..

[saint.112]

J'imagine qu'en moyenne un photon fait 140 allés retours plutôt.

Je ne saurais pas te répondre.

Et là je suis perdu puisque on parle à la fois de photon et d'onde lumineuse..

Hé bien… c'est ça la lumière.
Nico

[Gilgamesh]

D'accord mais comment LIGO a-t-il fait en sorte que le photon soit réfléchi exactement 280 fois puis que un seul coup il traverse le miroir ?

Avant le miroir semi-réfléchissant (beam splitter) de transmission 1/2 y a des miroirs modérément réfléchissants de transmission 1/140, réalisés dans un bloc optique très transparent au IR (absorption : 3,3 ppm), ce qui fait que lorsque le photon est transmis il parvient sans problème au miroir semi-réfléchissant.


Interferomètre Michelson avec cavités de Fabry Perot. Des miroirs placé près du diviseur de faisceau (miroir semi-réfléchissant ou beam splitter) permettent de multiples réflexion et maintiennent le faisceau dans le bras de l'interféromètre. Cela accroît la distance parcouru par le faisceau et augmente d'autant la sensibilité du dispositif. Les cavités de Fabry Perot sont la partie située entre le beam splitter et les miroirs en bout de bras

source

[bongo1981]

Il me semble qu'un des trucs assez compliqués c'était les miroirs du Fabry Pérot, qui devait être suffisamment réfléchissant pour ne pas trop perdre en intensité après une centaine de réflexions.

[adpouf]

Euh je comprends pas gilgamesh

[Gilgamesh]

Euh je comprends pas gilgamesh

Pas de soucis pour réexpliquer, mais peux-tu préciser ce que tu ne comprends pas ?

[adpouf]

Une fois que le laser est divisé en 2, chaque partie évolue dans son tunnel. Ensuite elles sont chacunes réfléchies par un miroir. Je n'ai finalement pas compris pourquoi quand elles reviennent vers la séparatrice elles sont réfléchies par un autre miroir 280 fois (alors qu'après la séparatrice les lasers n'ont pas été réfléchis par ce miroir).
Merci d'avance

[Gilgamesh]

Une fois que le laser est divisé en 2, chaque partie évolue dans son tunnel. Ensuite elles sont chacunes réfléchies par un miroir. Je n'ai finalement pas compris pourquoi quand elles reviennent vers la séparatrice elles sont réfléchies par un autre miroir 280 fois (alors qu'après la séparatrice les lasers n'ont pas été réfléchis par ce miroir).
Merci d'avance

Si, le laser a été réfléchi : la transmission des miroirs d'entrée (entre la séparatrice et le miroir de bout de bras) n'est que de 1,4% (j'ai trouvé ce chiffre pour Advanced Virgo). Mais la petite fraction qui rentre reste dans la cavité un certain nombre d'aller-retour, avant de ressortir.

[adpouf]

Ok c'est plus clair merci ! x)