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Posté par Adrien le Mercredi 14/12/2016 à 00:00
Astronomie gravitationnelle: le traitement des miroirs de Kagra
Le Laboratoire des matériaux avancés (LMA, CNRS) est spécialisé dans la réalisation et la caractérisation de couches minces. Fort de cette compétence, il a réalisé le traitement de surface des miroirs les plus importants des interféromètres Ligo et Virgo. Alors que l'astronomie (L’astronomie est la science de l’observation des astres, cherchant à expliquer leur origine, leur évolution, leurs propriétés...) gravitationnelle prend son essor suite aux découvertes de fin 2015, le LMA vient d'être sélectionné pour traiter les miroirs de l'interféromètre Kagra, actuellement en construction au Japon.

Les collaborations Virgo (en Europe) et Ligo (LIGO (pour Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) est un projet d'interféromètre américain, destiné à détecter les ondes gravitationnelles.) (aux Etats-Unis) compteront bientôt un nouvel allié dans la détection et l'étude des ondes gravitationnelles: l'interféromètre Kamioka Gravitational Wave Detector (Kagra), actuellement en construction au Japon et dont la mise en service est prévue au plus tard en 2018. Tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) comme les instruments déjà en opération, Kagra sera équipé de miroirs ultra-perfectionnés. Et leur traitement de surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a plusieurs acceptions, parfois objet géométrique, parfois frontière physique, et est souvent abusivement confondu avec sa mesure,...) sera réalisé au LMA à Villeurbanne, dans les mêmes machines uniques qui ont servi au traitement des miroirs de Virgo et Ligo.


Mesure de la planéité d'un miroir de 35 mm de diamètre (Dans un cercle ou une sphère, le diamètre est un segment de droite passant par le centre et limité par les points du cercle ou de la...) dans un interféromètre de Fizeau à décalage de longueur (La longueur d’un objet est la distance entre ses deux extrémités les plus éloignées. Lorsque l’objet est filiforme ou en forme de...) d'onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible de propriétés physiques locales. Elle transporte de l'énergie sans transporter de...). Cet instrument permet de mesurer les bosses et les creux d'hauteur (La hauteur a plusieurs significations suivant le domaine abordé.) nanométriques à la surface du miroir. Grâce à cette mesure suivie de simulations optiques, les chercheurs peuvent estimer les pertes de lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil humain, c'est-à-dire comprises dans des longueurs d'onde de 380nm (violet) à 780nm (rouge). La lumière est...) liées à ce miroir, lorsqu'il sera installé dans l'interféromètre Advanced Virgo. © Cyril FRESILLON/LMA/CNRS Photothèque

Des miroirs en saphir (Le saphir est une variété gemme de corindon pouvant présenter de multiples couleurs, sauf la couleur rouge qui désigne alors uniquement le rubis....) à -263°C Le projet (Un projet est un engagement irréversible de résultat incertain, non reproductible a priori à l’identique, nécessitant le concours et l’intégration d’une grande diversité...) Kagra est coordonné par l'Institute for Cosmic Ray Research (ICRR) de l'Université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la production du savoir (recherche), sa conservation et sa transmission (études supérieures). Aux...) de Tokyo, auquel sont associés la High Energy Accelerator Research Organization (KEK) et le National Astronomical Observatory of Japan (NAOJ). Ses particularités sont d'être souterrain (pour limiter le bruit (Dans son sens courant, le mot de bruit se rapproche de la signification principale du mot son. C'est-à-dire vibration de l'air pouvant donner lieu à la création d'une sensation auditive.) sismique) et de comporter des miroirs cryogéniques en saphir (maintenus à -263°C pour réduire le bruit thermique). Un consortium dont fait partie le LMA a été retenu pour la réalisation des miroirs suite à un appel d'offres.

Le LMA est une unité de service et de recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances scientifiques. Par extension...) (USR) de l'IN2P3 (L'Institut national de physique nucléaire et de physique des particules (IN2P3) est un institut de recherche fondamentale du CNRS dont le domaine de recherche est comme son nom l'indique la physique nucléaire et...) spécialisée dans le dépôt de couches minces, notamment à des fins optiques. L'Université de Tokyo lui avait déjà commandé en 2014 six grands miroirs secondaires, puis des tests de performances pour les miroirs principaux en saphir destinés à Kagra. C'est donc tout naturellement que le laboratoire s'est positionné, avec son partenaire japonais, sur cet appel d'offres.

Un défi technologique de tailleAlors que pour les miroirs de Virgo et Ligo, les traitements de surface sont réalisés sur du verre (Le verre, dans le langage courant, désigne un matériau ou un alliage dur, fragile (cassant) et transparent au rayonnement visible. Le plus souvent, le verre est constitué d’oxyde de silicium...), réaliser des miroirs en saphir représente un défi technologique tant du point (Graphie) de vue (La vue est le sens qui permet d'observer et d'analyser l'environnement par la réception et l'interprétation des rayonnements lumineux.) de la fabrication du substrat et de son polissage que de la réalisation des couches minces. En effet, si le dépôt de couches minces sur verre est bien connu, celui sur des substrats en saphir de cette taille est une première. Ce travail nécessitera de réaliser des dépôts tests permettant de valider les performances attendues des couches minces.


Salle blanche de 150 m². A droite, le Grand Coater est le plus grand bâti de dépôt sous vide au monde (Le mot monde peut désigner :). Cet équipement est utilisé pour déposer des couches minces sur des substrats de verre de grandes dimensions (Dans le sens commun, la notion de dimension renvoie à la taille ; les dimensions d'une pièce sont sa longueur, sa largeur et sa profondeur/son épaisseur, ou bien son diamètre si c'est une pièce de révolution.) (jusqu'à 800 mm de diamètre) afin de les rendre réfléchissants. Conçu et développé par le Laboratoire des matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.) avancés (LMA), il utilise la technique de pulvérisation (Le terme de pulvérisation a été introduit en 1975 par J. M. Steele dans sa thèse de doctorat, à l'université Stanford.) par faisceau d'ions (ion beam sputtering). Les miroirs faibles pertes (350 mm de diamètre, 200 mm d'épaisseur, 40 kg) des interféromètres Advanced Virgo et Advanced Ligo ont été réalisés dans ce Grand Coater. © Cyril FRESILLON/LMA/CNRS Photothèque

Au sein (Le sein (du latin sinus, « courbure, sinuosité, pli ») ou la poitrine dans son ensemble, constitue la région ventrale supérieure du torse d'un animal, et en particulier celle des...) du laboratoire, toutes les étapes du dépôt se font sur un même lieu, en salle blanche (classe ISO 3) pour limiter les défauts: l'environnement (L'environnement est tout ce qui nous entoure. C'est l'ensemble des éléments naturels et artificiels au sein duquel se déroule la vie humaine. Avec les enjeux...) est parfaitement contrôlé, du traitement aux contrôles. Le LMA dispose de la plus grande enceinte de dépôt au monde de pulvérisation par faisceaux d'ions, permettant la réalisation de grandes pièces jusqu'à 1 m de diamètre ou de deux miroirs simultanément pour garantir leur compatibilité optique (L'optique est la branche de la physique qui traite de la lumière, du rayonnement électromagnétique et de ses relations avec la vision.). Les miroirs du LMA réfléchissent 99,9999 % de la lumière, contre 90 % environ pour un miroir de salle de bain.

Cette commande (Commande : terme utilisé dans de nombreux domaines, généralement il désigne un ordre ou un souhait impératif.) inédite de miroirs en saphir de grandes dimensions (22 cm de diamètre et 15 cm d'épaisseur) va encore étendre le champ (Un champ correspond à une notion d'espace défini:) d'expertise et la renommée du LMA. Mais le laboratoire est aussi engagé sur d'autres fronts, comme le futur Einstein Telescope (la troisième génération d'interféromètres), le projet LISA (mission spatiale dédiée aux ondes gravitationnelles dont le lancement est prévu dans les années 2030) ou le Large Synoptic Survey Telescope (LSST, actuellement en construction au Chili).

Contacts chercheurs
- Jérôme Degallaix (LMA)
- Nathalie Gibelin (LMA)

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Source: CNRS-IN2P3