Optische Eigenschaften von Substratmaterialien für zukünftige kryogene Gravitationswellendetektoren

Seit dem Beginn des Baus von Gravitationswellendetektoren (GWD) in den 1960er Jahren wurden die Empfindlichkeiten der Detektoren um mehrere Größenordnungen gesteigert. Zu der kontinuierlichen Optimierung bestehender Detektoren wird für eine weitere Steigerung der Empfindlichkeit gerade ein großer Schritt durch die Verwendung kryogener Testmassen getan. Silizium gilt als Material mit besten Aussichten auf den Einsatz im zukünftigen europäischen GWD. Dies führt zu offenen Fragen nach Materialeigenschaften bei kryogenen Temperaturen. Ziel der vorliegenden Arbeit ist es deswegen, ein besseres Verständnis der optischen Absorption in Silizium zu erhalten Neben dem Wärmeeintrag durch optische Absorption können auch Temperaturfluktuationen die Empfindlichkeit eines GWDs limitieren. Temperaturfluktuationen verursachen über die Brechzahl das thermorefraktive Rauschen. Ein exaktes Berechnen des thermorefraktiven Rauschens scheitert an der Kenntnis der Temperaturabhängigkeit der Brechzahl und macht aktuell ein Extrapolieren dieser nötig. Um diese Lücke zu schließen und exakte Rechnungen durchführen zu können, wird ein Messsystem aufgebaut, um die Änderung der Brechzahl mit der Temperatur bis zu den Betriebstemperaturen eines kryogenen Detektors zu bestimmen. Neben dem thermorefraktiven Rauschen kann die Temperaturabhängigkeit der Brechzahl zusammen mit der durch optische Absorption generierten Wärme auch zur Ausbildung von thermischen Linsen führen. Die Kenntnis beider Parameter ermöglicht hier ein Abschätzen der Stärke von thermischen Linsen in Silizium. Am Ende der Arbeit wird noch einmal die Bedeutung der vorher erhaltenen Daten für kryogene GWDs beschrieben. Darauf folgt die Zusammenfassung

Evaluation of heat extraction through sapphire fibers for the GW observatory KAGRA

Currently, the Japanese gravitational wave laser interferometer KAGRA is under construction in the Kamioka mine. As one main feature, it will employ sapphire mirrors operated at a temperature of 20K to reduce the impact from thermal noise. To reduce seismic noise, the mirrors will also be suspended from multi-stage pendulums. Thus the heat load deposited in the mirrors by absorption of the circulating laser light as well as heat load from thermal radiation will need to be extracted through the last suspension stage. This stage will consist of four thin sapphire fibers with larger heads necessary to connect the fibers to both the mirror and the upper stage. In this paper, we discuss heat conductivity measurements on different fiber candidates. While all fibers had a diameter of 1.6mm, different surface treatments and approaches to attach the heads were analyzed. Our measurements show that fibers fulfilling the basic KAGRA heat conductivity requirement of $\kappa\geq$5000W/m/K at 20K are technologically feasible.Comment: 11 pages, 4 figure