Semiconvergence and Relaxation Parameters for Projected SIRT Algorithms

We give a detailed study of the semiconvergence behavior of projected nonstationary simultaneous iterative reconstruction technique (SIRT) algorithms, including the projected Landweber algorithm. We also consider the use of a relaxation parameter strategy, proposed recently for the standard algorithms, for controlling the semiconvergence of the projected algorithms. We demonstrate the semiconvergence and the performance of our strategies by examples taken from tomographic imaging.Funding Agencies|Danish Research Council for Technology and Production Sciences|274-07-0065|</p

Optimization Methods for Image Regularization from Poisson Data

This work regards optimization techniques for image restoration problems in presence of Poisson noise. In several imaging applications (e.g. Astronomy, Microscopy, Medical Imaging) such noise is predominant; hence regularization techniques are needed in order to obtain satisfying restored images. In a variational framework, the image restoration problem consists in finding a minimum of a functional, which is the sum of two terms,: the fit–to–data and the regularization one. The trade–off between these two terms is measured by a regularization parameter. The estimation of such a parameter is very difficult due to the presence of Poisson noise. In this thesis we investigate three models regarding this parameter: a Discrepancy Model, Constrained Model and the Bregman procedure. The former two provide an estimation for the regularization parameter, but in some cases, such as low counts images, they do not allow to obtain satisfactory results. On the other hand, in presence of such images the Bregman procedure provides reliable results and, moreover, it allows to use an overestimation of the regularization parameter, giving satisfying restored images; furthermore, this procedure permits to gain a contrast enhancement on the final result. In the first part of the work, the basics on image restoration problems are recalled, and a survey on the state–of–the–art methods is given, with an original contribution regarding scaling techniques in ε–subgradient methods. Then, the Discrepancy and the Constrained Models are analyzed from both theoretical and practical point of view, developing suitable numerical techniques for their solution; furthermore, an inexact version of the Bregman procedure is introduced: such a version allows to have a minor computational cost and maintains the same theoretical features of the exact version. Finally, in the last part, a wide experimentation shows the computational efficiency of the inexact Bregman procedure; furthermore, the three models are compared, showing that in high counts images they provide similar results, while in case of low counts images the Bregman procedure provides reliable restored images. This last consideration is evident not only on test problems, but also in problems coming from Astronomy imaging, particularly in case of High Dynamic Range images, as shown in the final part of the experimental section

Using state-of-the-art inverse problem techniques to develop reconstruction methods for fluorescence diffuse optical

An inverse problem is a mathematical framework that is used to obtain info about a physical object or system from observed measurements. It usually appears when we wish to obtain information about internal data from outside measurements and has many applications in science and technology such as medical imaging, geophysical imaging, image deblurring, image inpainting, electromagnetic scattering, acoustics, machine learning, mathematical finance, physics, etc. The main goal of this PhD thesis was to use state-of-the-art inverse problem techniques to develop modern reconstruction methods for solving the fluorescence diffuse optical tomography (fDOT) problem. fDOT is a molecular imaging technique that enables the quantification of tomographic (3D) bio-distributions of fluorescent tracers in small animals. One of the main difficulties in fDOT is that the high absorption and scattering properties of biological tissues lead to an ill-posed inverse problem, yielding multiple nonunique and unstable solutions to the reconstruction problem. Thus, the problem requires regularization to achieve a stable solution. The so called “non-contact fDOT scanners” are based on using CCDs as virtual detectors instead of optic fibers in contact with the sample. These non-contact systems generate huge datasets that lead to computationally demanding inverse problem. Therefore, techniques to minimize the size of the acquired datasets without losing image performance are highly advisable. The first part of this thesis addresses the optimization of experimental setups to reduce the dataset size, by using l₂–based regularization techniques. The second part, based on the success of l₁ regularization techniques for denoising and image reconstruction, is devoted to advanced regularization problem using l₁–based techniques, and the last part introduces compressed sensing (CS) theory, which enables further reduction of the acquired dataset size. The main contributions of this thesis are: 1) A feasibility study (the first one for fDOT to our knowledge) of the automatic Ucurve method to select the regularization parameter (l₂–norm). The U-curve method has shown to be an excellent automatic method to deal with large datasets because it reduces the regularization parameter search to a suitable interval. 2) Once we found an automatic method to choose the l₂ regularization parameter for fDOT, singular value analysis (SVA) of fDOT forward matrix was used to maximize the information content in acquired measurements and minimize the computational cost. It was shown for the first time that large meshes can be reduced in the z direction, without any loss in imaging performance but reducing computational times and memory requirements. 3) Dealing with l₁–based regularization techniques, we presented a novel iterative algorithm, ART-SB, that combines the advantage of Algebraic reconstruction method (ART) in handling large datasets with Split Bregman (SB) denoising, an approach which has been shown to be optimum for Total Variation (TV) denoising. SB has been implemented in a cost-efficient way to handle large datasets. This makes ART-SB more computationally efficient than previous TV-based reconstruction algorithms and most splitting approaches. 4) Finally, we proposed a novel approach to CS for fDOT, named the SB-SVA iterative method. This approach is based on the analysis-based co-sparse representation model, where an analysis operator multiplies the image transforming it in a sparse one. Taking advantage of the CS-SB algorithm, we restrict the solution reached at each CS-SB iteration to a certain space where the singular values of the forward matrix and the sparsity structure combine in beneficial manner. In this way, SB-SVA forces indirectly the wellconditioninig of the forward matrix while designing (learning) the analysis operator and finding the solution. Furthermore, SB-SVA outperforms the CS-SB algorithm in terms of image quality and needs fewer acquisition parameters. The approaches presented here have been validated with experimental. -----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------El problema inverso consiste en un conjunto de técnicas matemáticas para obtener información sobre un fenómeno físico a partir de una serie de observaciones, medidas o datos. Dicho problema aparece en muchas aplicaciones científicas y tecnológicas como pueden ser imagen médica, imagen geofísica, acústica, aprendizaje máquina, física, etc. El principal objetivo de esta tesis doctoral fue utilizar la teoría del problema inverso para desarrollar nuevos métodos de reconstrucción para el problema de tomografía óptica difusiva por fluorescencia (fDOT), también llamada tomografía molecular de fluorescencia (FMT). fDOT es una modalidad de imagen médica que permite obtener de manera noinvasiva la distribución espacial 3D de la concentración de sondas moleculares fluorescentes en animales pequeños in-vivo. Una de las dificultades principales del problema inverso en fDOT, es que, debido a la alta difusión y absorción de los tejidos biológicos, es un problema fuertemente mal condicionado. Su solución no es única y presenta fuertes inestabilidades, por lo que el problema debe ser regularizado para obtener una solución estable. Los llamados escáneres fDOT “sin contacto” se basan en utilizar cámaras CCD como detectores virtuales, en vez de fibras ópticas en contacto con la muestras. Estos sistemas, necesitan un volumen de datos muy elevado para obtener una buena calidad de imagen y el coste computacional de hallar la solución llega a ser muy grande. Por esta razón, es importante optimizar el sistema, es decir, maximizar la información contenida en los datos adquiridos a la vez que minimizamos el coste computacional. La primera parte de esta tesis se centra en optimizar el sistema de adquisición, reduciendo el volumen de datos necesario usando técnicas de regularización basadas en la norma l₂. La segunda parte se inspira en el gran éxito de las técnicas de regularización basadas en la norma l₁ para la reconstrucción de imagen, y se centra en regularizar el problema fDOT mediante dichas técnicas. El trabajo finaliza introduciendo la técnica de “compressed sensing” (CS), que permite también reducir el número de datos necesarios sin por ello perder calidad de imagen. Las contribuciones principales de esta tesis son: 1) Realización de un estudio de viabilidad, por primera vez en fDOT, del método automático U-curva para seleccionar el parámetro de regularización (norma l₂). U-curva mostró ser un método óptimo para problemas con un volumen elevado de datos, ya que dicho método ofrece un intervalo donde encontrar el parámetro de regularización. 2) Una vez encontrado el método automático de selección de parámetro de regularización se realizó un estudio de la matriz del sistema de fDOT basado en el análisis de valores singulares (SVA), con la finalidad de maximizar la información contenida en los datos adquiridos y minimizar el coste computacional. Por primera vez se demostró que el uso de un mallado con menor densidad en la dirección perpendicular al plano obtiene mejores resultados que el uso convencional de una distribución isotrópica del mismo. 3) En la segunda parte de esta tesis, usando técnicas de regularización basadas en la norma l₁, se presenta un nuevo algoritmo iterativo, ART-SB, que combina la capacidad de la técnica de reconstrucción algebraica (ART) para lidiar con problemas con muchos datos con la efectividad del método Split Bregman (SB) para reducir ruido en la imagen mediante su variación total (TV). SB fue implementado de forma eficiente para procesar un elevado volumen de datos, de manera que ART-SB es computacionalmente más eficiente que otros algoritmos de reconstrucción presentados previamente en la literatura, basados en la TV de la imagen y que la mayoría de las técnicas llamadas de “splitting”. 4) Finalmente, proponemos una nueva aproximación iterativa a CS para fDOT, llamada SB-SVA. Esta aproximación se basa en el llamado modelo analítico co-disperso (co-sparse), donde un operador analítico multiplica la imagen convirtiéndola en una imagen dispersa. Este método aprovecha el método SB para CS (CS-SB) para restringir la solución alcanzada en cada iteración a un espacio determinado, donde los valores singulares de la matriz del sistema y la dispersión (“sparsity”) de la solución en dicha iteración combinen beneficiosamente; es decir, donde valores singulares muy pequeños no estén asociados a valores distintos de cero de la solución “sparse”. SB-SVA mejora el mal condicionamiento de la matriz del sistema a la vez que diseña el operador apropiado a través del cual la imagen se puede representar de forma dispersa y soluciona el problema de CS. Además, SB-SVA mostró mejores resultados que CS-SB en cuanto a calidad de imagen, requiriendo menor número de parámetros de adquisición. Todas las aproximaciones que presentamos en esta tesis fueron validadas con datos experimentales

Quantitative off-axis Electron Holography and (multi-)ferroic interfaces

A particularly interesting class of modern materials is ferroic ceramics. Their characteristic order parameter is a result of quantum chemistry taking place on a sub-Å length scale and long-range couplings, e.g. mediated by electrostatic or stress fields. Furthermore, the particular subclass of multiferroics possesses more than one order parameter and exhibits an intriguing coupling between them, which is interesting both from the fundamental physics point of view as well as from a technological vantage point. While on a more fundamental level it is desirable to elucidate the physical details of the coupling mechanism, this knowledge could subsequently lead to new and technologically interesting multiferroic materials, which overcome their current drawback that only one of the multiple order parameters is appreciably large while the others stay small. Due to the short and long range nature of the driving forces, one challenge for thoroughly understanding ferroic ceramics is the characterization of material properties within a large interval of length scales from several tens of µm to sub-Å. To that end, it is useful to exploit that all order parameters can be described as macroscopic fields, e.g. electric polarization or strain, which, in turn, can be either directly or indirectly probed with an electron beam such as used in Transmission Electron Microscopy (TEM). Consequently, TEM is excellently suited for investigating ferroic materials, i.e., state-of-the-art instruments facilitate aberration corrected imaging within a large magnification interval covering the length scales of interest, in particular the atomic regime. A general drawback of conventional TEM techniques is the loss of phase information originally contained in the scattered electron wave introduced by recording only the electron density. Electron Holography is an advanced TEM technique that facilitates the complete evaluation of the complex electron wave, which, in combination with the manifold possibilities of TEM, provides rather straightforward access to static electromagnetic fields within the ceramic. Nevertheless, quantification of order parameters such as the electric polarization or minute details in electromagnetic fields still require to correlate the experimentally gained observations to physical models, which combine the details of the microscopic imaging process, the electron-specimen scattering, and solid state physics of the specimen. The goal of this work is to investigate and advance the limits of Electron Holography as a truly quantitative TEM technique and apply the findings in, e.g., the investigation of ferroic ceramics. In the light of the previously mentioned difficulties, the problem has to be tackled from different directions: Firstly, the whole holographic imaging process is reviewed and extended, if necessary, in order to provide quantitative measures for systematic and statistical errors inherent to reconstructed waves. In the course of that process, two previously not recognized holography-specific aberrations are identified, firstly, a resolution limiting spatial envelope and secondly, a spatial distortion to the reconstructed wave. Furthermore, several correction strategies have been developed, in order to correct the aforementioned two and other well-known disturbances, e.g. Fresnel fringes from the biprism filament. The previous holographic noise model has been extended to incorporate the important contribution from the detector and consequently to provide realistic statistic error bars of the holographically reconstructed amplitude and phase. Secondly, an investigation of the electron-specimen scattering process itself is conducted, leading to a density matrix description of the holographic measurement. The general laws of quantum electrodynamics provide the framework of that description. Relativistic phenomena such as retardation of electromagnetic fields exchanged between beam electron and specimen and spin-orbit coupling of the beam electron are quantified, where the latter is found to be negligible within TEM. The decoherence of the electron wave by statistical coupling to the thermally moving crystal lattice of ceramics is treated by a newly developed algorithm facilitating in particular the accurate quantification of elastic scattering on heavy elements. Inelastic excitations in the ceramic, e.g. bulk plasmons or core electrons, are treated in combination with elastic scattering to identify their role in the holographic reconstruction process and to develop methods for an accurate calculation. A new scattering algorithm combining elastic and inelastic scattering is developed and applied to predict peculiar scattering contrasts of dipole transitions and to discuss the long-standing problem of contrast mismatch between scattering simulations and conventional imaging. To provide a user-friendly and continuing use of the findings, a software package SEMI (Simulation of Electron Microscopy Imaging) has been written, which facilitates the simulation of elastic and inelastic scattering processes and the subsequent imaging within different approximations, incorporating the newly developed algorithms. Thirdly, Density Function Theory (DFT) solid state calculations have been employed to identify and quantify structural modifications and characteristic electromagnetic fields, such as occurring at domain boundaries, within typical ferroic ceramics like BaTiO3 or BiFeO3, and concomitantly provide models correlating observables of the (holographic) experiment to characteristics of the materials, e.g. the order parameters. This is particularly important when static electromagnetic fields provide no direct information about the order parameter, e.g. the electric polarization, i.e., it is possible to correlate the measurable atomic positions to the electric polarization within linear response theory. A software package ATA (AuTomated Atomic contrast fitting) has been developed facilitating an automated fitting of atomic positions and a subsequent determination of local polarization. In a fourth step, electron holographic experiments analyzed with the help of the revised imaging process in combination with the knowledge gained from scattering theory are used as an input to the models established from solid state physics to yield quantitative information about bulk ferroelectric materials such as BaTiO3 and PbTiO3 and more complicated configurations such as domain walls in BiFeO3 and KnbO3. It is found that particular atomic shifts characteristic for ferroelectrics provide the most reliable quantitative information about the polarization down to nm length scales, whereas minute wave modification due to characteristic electron distributions within the ceramic are currently insufficiently quantitatively interpretable within Electron Holography. The linear response program, correlating atomic positions to ferroelectric polarization with the help of ab-initio calculated Born effective charges, has been successfully applied to determine finite size effects, screening layer widths and polarization charges in non-ferroelectric/ferroelectric layered systems. Finally, a special section considers the evaluation of 3D electromagnetic fields by Electron Holographic Tomography, which provides the means to characterize even more complex 3D domain wall configurations. As the capabilities of the technique are still limited by holographic reconstruction errors and particular tomographic issues such as incomplete projection data, the main focus of that section is put on the characterization and improvement of the tomographic reconstruction process. A Singular Value based reconstruction method is developed, which facilitates a quantification and control of the tomographic reconstruction error. Furthermore, vector field reconstruction is extended in order to treat magnetic vector fields leaking out from the reconstruction volume.Ferroische Keramiken bilden eine besonders interessante Klasse moderner funktionaler Werkstoffe. Ihr charakteristischer Ordnungsparameter ist das Ergebnis quantenchemischer Prozesse innerhalb einer sub- Å Längenskala und spezifischer langreichweitiger Kopplungen, welche beispielsweise durch elektromagnetische oder Spannungsfelder vermittelt werden. Des Weiteren besitzt die besondere Unterklasse der Multiferroika mehr als einen Ordnungsparameter und zeigt eine faszinierende Kopplung zwischen ihnen, was sowohl vom Standpunkt physikalischer Grundlagenforschung als auch aus technologischer Sicht von Interesse ist. Während es vom fundamentalen Standpunkt erstrebenswert ist, die physikalischen Details des Kopplungsmechanismus aufzuklären, könnte in der Folge dieses Wissen zu neuen und technologisch interessanten multiferroischen Materialien führen, welche den derzeit bestehenden Nachteil, dass nur ein Ordnungsparameter genügend groß ist, während die jeweils anderen klein bleiben, hinter sich lassen. Aufgrund der kurz- und langreichweitigen Natur der Antriebskräfte besteht eine Herausforderung für das umfassende Verständnis ferroischer Keramiken aus der Charakterisierung von Materialeigenschaften innerhalb eines breiten Intervalls von Längenskalen, welches von einigen 10 µm bis unterhalb eines Å reicht. Um dieses Ziel zu erreichen ist es zweckmäßig auszunutzen, dass alle Ordnungsparameter als makroskopische, beispielsweise elektrostatische oder Verzerrungs-, Felder beschrieben werden können, welche wiederum direkt oder indirekt mit einem Elektronenstrahl, wie er im Transmissionselektronenmikrokop (TEM) zur Anwendung kommt, gemessen werden können. Folglich ist die Transmissionselektronenmikroskopie hervorragend geeignet um ferroische Materialien zu untersuchen, das heißt, modernste Geräte ermöglichen aberrationskorrigierte Aufnahmen innerhalb eines großen Vergrößerungsbereiches, welche die interessanten Längenskalen und insbesondere den atomaren Bereich abdecken. Ein allgemeiner Nachteil der konventionellen TEM Techniken ist der Verlust der Phaseninformationen, welche ursprünglich in der Elektronenwelle vorhanden sind und durch die Aufzeichnung der Elektronenintensität zerstört werden. Elektronenholographie ist eine weiterentwickelte TEM Technik, welche die vollständige Auswertung der komplexen Elektronenwelle ermöglicht, was wiederum in Verbindung mit den vielfältigen Möglichkeiten der TEM einen vergleichsweise direkten Zugang zu elektromagnetischen Feldern in der Keramik ermöglicht. Nichtsdestotrotz erfordert die Quantifizierung von Ordnungsparametern, wie der elektrische Polarisierung, oder von kleinsten Details elektromagnetischer Felder die Korrelation experimenteller Daten mit physikalischen Modellen, welche die Details des mikroskopischen Bildgebungsprozesses mit der Elektronen-Objekt Streuung und der Festkörperphysik des Objektes kombinieren. Das Ziel dieser Arbeit besteht aus der Untersuchung und Erweiterung der Möglichkeiten von Elektronenholographie als quantitative TEM Messmethode und der Anwendung dieser Ergebnisse bei der Untersuchung ferroischer Keramiken. Im Lichte der eben erwähnten Schwierigkeiten muss das Problem von verschiedenen Richtungen bearbeitet werden: Erstens wird der komplette holographische Bildgebungsprozess mit dem Ziel einer quantitativen Bewertung systematischer und statistischer Fehler der rekonstruierten Welle analysiert und gegebenenfalls erweitert. Im diesem Zuge wurden zwei bisher nicht erkannte holographiespezifische Fehler identifiziert, erstens eine auflösungsbegrenzende räumliche Enveloppe und zweitens eine räumliche Verzerrung der rekonstruierten Welle. Außerdem wurden verschiedene Korrekturmöglichkeiten entwickelt, um die zwei eben genannten und andere wohlbekannte Störungen, wie zum Beispiel die Fresnelstreifen des Biprismafadens, zu korrigieren. Das bisherige holographische Rauschmodel wurde erweitert um den beträchtlichen Einfluss des Detektors zu berücksichtigen und damit realistische Fehlerbalken für die holographisch rekonstruierte Amplitude und Phase zu erhalten. Zum Zweiten wird der Streuprozess selber untersucht, was zu einer Dichtematrixbeschreibung der holographischen Messung führt. Den Rahmen dieser Untersuchungen liefern die Gesetze der Quantenelektrodynamik. Relativistische Phänomene wie die Retardierung elektromagnetischer Felder, welche zwischen Strahlelektron und Objekt ausgetauscht werden, oder Spin-Bahn Kopplung des Strahlelektrons werden quantifiziert, wobei letzteres als unwichtig für TEM eingestuft werden konnte. Die Dekohärenz der Elektronenwelle durch die statistische Kopplung an das thermisch bewegte Kristallgitter der Keramik wird mit einem neu entwickelten Algorithmus beschrieben, welcher insbesondere die genaue Quantifizierung der elastischen Streuung an schweren Elementen erlaubt. Ein weiterer neuer Streualgorithmus, welcher elastische und inelastische Streuung kombiniert, wird entwickelt und angewendet, um spezifische Streukontraste von Dipolübergängen vorauszusagen und das altbekannte Problem der Kontrastdiskrepanz zwischen simulierten und experimentellen Bildkontrasten zu diskutieren. Um eine anwenderfreundliche und fortdauernde Anwendung der Erkenntnisse zu ermöglichen, wurde das Softwarepaket SEMI geschrieben, welches die Simulation elastischer und inelastischer Streuprozesse und des nachfolgenden Bildgebungsprozesses innerhalb verschiedener Näherungen ermöglicht und die neu entwickelten Algorithmen beinhaltet. Zum Dritten kommen dichtefunktionalbasierte Festkörperrechenmethoden zur Anwendung um charakteristische elektromagnetische Felder, wie sie beispielsweise an Domänengrenzen entstehen, innerhalb typischer ferroischer Keramiken wie BaTiO3 oder BiFeO3 zu identifizieren und zu quantifizieren und gleichzeitig Modelle zu entwickeln, welche Observablen des (holographischen) Experiments mit Charakteristika des Materials, beispielsweise den Ordnungsparamtern, korrelieren. Dies ist besonders wichtig, wenn statische elektromagnetische Felder keinen direkten Zugang zu den Ordnungsparametern, wie zum Beispiel die ferroelektrische Polarisation, liefern; beispielsweise besteht innerhalb linearer Antworttheorie die Möglichkeit, atomare Positionen mit der elektrischen Polarisation zu korrelieren. Ein Softwarepaket wurde entwickelt, welches die automatische Bestimmung der Atompositionen und der daraus resultierenden lokalen Polarisation ermöglicht. In einem vierten Schritt wurden mit Hilfe des überarbeiteten holographischen Bildgebungsprozesses in Kombination mit den aus der Streutheorie gewonnenen Erkenntnissen holographische Experimente analysiert und als Input für die mit Hilfe der Festkörpertheorie entwickelten Modelle genutzt, um quantitative Informationen über raumferroische Materialien wie BaTiO3 und PbTiO3 und kompliziertere Anordnungen wie Domänengrenzen in BiFeO3 und KnbO3 zu gewinnen. Es konnte festgestellt werden, dass spezifische atomare Verschiebungen, welche charakteristisch für Ferroelektrika sind, die zuverlässigste quantitative Information über die Polarisation bis in den Längenbereich einiger nm liefern, wogegen kleinste Wellenmodifikationen aufgrund charakteristischer Elektronenverteilungen innerhalb der Keramik mit Hilfe von Elektronenholographie nur unzureichend interpretierbar sind. Das lineare Antwortprogramm, welches die Atompositionen über Bornsche effektive Ladungen mit ferroelektrischer Polarisation korreliert, wurde erfolgreich angewendet, um Größeneffekte und Ausdehnungen von Abschirmschichten und Polarisationladungen in nichtferroelektrisch/ferroelektrischen Schichtsystemen zu bestimmen. Abschließend widmet sich ein spezieller Abschnitt der Auswertung 3D elektromagnetischer Felder mit Hilfe der elektronenholographischen Tomographie, was die Voraussetzung für die Charakterisierung von noch komplizierteren 3D Domänenwandanordnungen liefert. Da die Möglichkeiten dieser Technik durch den holographischen Rekonstruktionsfehler und spezifisch tomographische Probleme noch beschränkt sind, liegt der Schwerpunkt dieses Abschnitts in der Charakterisierung und Verbesserung des tomographischen Rekonstruktionsprozesses. Es wird eine singulärwertbasierte Rekonstruktionsmethode entwickelt, welche die Quantifizierung und Kontrolle des Rekonstruktionsfehlers ermöglicht. Außerdem wird die Vektorfeldrekonstruktion erweitert, um magnetische Vektorfelder, welche über das Rekonstruktionsvolumen hinausragen, zu behandeln

Aeronautical engineering, a continuing bibliography with indexes

This bibliography lists 823 reports, articles, and other documents introduced into the NASA scientific and technical information system in November 1984

Computational modelling of amorphous mirror coatings for use in advanced gravitational wave detectors

Albert Einstein in 1916 predicted the existence of a Gravitational Wave in his General Theory of Relativity. These waves, which propagate at the speed of light transmit gravitational information through the Universe. Since its prediction by Einstein, astronomers and physicists have searched for them and developed method to detect them. Though so far unsuccessful, the search of Gravitational waves goes on and great efforts are being made to develop the most sensitive detectors yet in the hope of that first detection. Currently ground based detectors are limited by coating Brownian thermal noise due to excitation of the reflective coatings applied to the test masses. Through measurement of mechanical loss of a material the magnitude of the Brownian thermal noise can be determined. It is necessary to determine the root cause of mechanical loss in current coatings (Ta2O5¬ and SiO2). Work towards this goal is taking place on multi paths, directly, through characterisation of mechanical loss and indirectly through microscopy studies to determine the structural cause. In this thesis, the effect of TiO2 doping and heat treatment of Ta2O5 has been investigated. It has been previously shown that a TiO2 doping of Ta2O5 reduces the mechanical loss and that, that reduction is at a maximum at 30% TiO2. It has been determined through Electron Diffraction experiments that the structure of TiO2 doped Ta2O5 becomes more homogenous up to 30% doping. Through computation modelling of these structures using Density Functional Theory it has also been determined that the abundance of TiTaO2 ring formations also maximises at 30% doping. Further modelling has also determined that the TiTaO2 rings are more flexible that their counter parts of Ta2O2 and Ti2O2. From this it has been hypothesised that the overall flexibility of a structure is a strong component of the mechanical response of the structure. Hence by increasing the flexibility through TiO2 doping the mechanical loss (as Thermal Noise) is decreased similarly and this response would also be expected using similarly flexibility improving dopants