En réalisant les premières détections directes d'ondes gravitationnelles, les détecteurs interférométriques de seconde génération, LIGO et Virgo, ont lancé le début de l'astronomie gravitationnelle. La détection de ces signaux est réalisée en mesurant la différence de temps de parcours d’un laser entre deux bras perpendiculaires de plusieurs kilomètres de long.
Atteindre la sensibilité nécessaire à la détection des ondes gravitationnelles repose sur des défis technologiques majeurs : entre autres, l'utilisation d'une forte puissance laser, l'utilisation de systèmes d’atténuation de bruit quantique et l'implémentation de plusieurs cavités couplées.
Afin d’appuyer l’étude de ces détecteurs, le réglage des différents paramètres optiques, et le développement des améliorations futures, il est nécessaire de réaliser des simulations précises et robustes. Dans le but de développer les modèles de simulations, une connaissance fine du détecteur est nécessaire. Ainsi, la caractérisation précise de ses paramètres est nécessaire afin de s’appuyer sur des valeurs fiables pour construire le modèle numérique du détecteur.
De façon complémentaire, il est souhaitable d’étudier, développer et tester les méthodes de caractérisation en simulation pour affiner ces méthodes dans un environnement contrôlé et s’assurer de la fiabilité des résultats qu’elles fournissent.
De ce fait, simulation et caractérisation apparaissent comme étant des domaines d’études complémentaires. Le présent manuscrit de thèse présente un travail mené dans le contexte du détecteur d’ondes gravitationnelles Virgo. Plusieurs études du détecteur, appuyées par des simulations, sont réalisées.
Une première étude concerne la caractérisation de l’astigmatisme présent dans les cavités Fabry-Perot de l’instrument. L’analyse concerne le développement en simulation des méthodes de mesures des paramètres clés de cet astigmatisme.
Par la suite, les paramètres de ces cavités, en particulier les rayons de courbure des miroirs, sont mesurés dans différents états thermiques de l’instrument. Ces paramètres sont fondamentaux pour la précision des modèles de simulation. La mesure est réalisée de sorte à ce que la simulation puisse être adaptée aux variations induites par les effets thermiques et devienne donc modulable vis-à-vis des effets considérés.
Enfin, la troisième étude menée concerne le détecteur KAGRA, qui d’une certaine manière peut être considéré comme un détecteur de génération 2.5 puisque ce dernier fonctionne à température cryogénique, les masses test étant refroidies autour de 30 degrés Kelvin. La cryogénie est au cœur des préoccupations pour le développement des détecteurs de troisième génération tels que Einstein Telescope ou encore Cosmic Explorer. Ainsi KAGRA apparait comme étant un des pionniers dans le développement de ces technologies.
Cependant, le fonctionnement à des températures cryogéniques exige l’utilisation de miroirs dont le substrat n’est plus la silice fondue généralement utilisée dans les détecteurs de deuxième génération. Ainsi, les miroirs installés dans les bras de KAGRA sont en saphir, qui présente une biréfringence inhomogène sur toute sa surface. Le dernier chapitre présente l’étude des effets de la biréfringence sur les signaux d’erreurs utilisés pour le contrôle de l’alignement d’une cavité Fabry-Perot. Cette étude expérimentale est complétée par des simulations des effets étudiés. |
By achieving the first detections of gravitational waves, the second-generation interferometric detectors, LIGO and Virgo, launched the era of gravitational-wave astronomy. These signals are detected by measuring the difference in travel time of a laser beam in two perpendicular arms, each several kilometers long.
Achieving the sensitivity required to detect gravitational waves involves major technological challenges: the use of high laser power, the use of quantum noise attenuation systems, and the implementation of multiple coupled cavities.
To support the study of these detectors, the tuning of various optical parameters, and the development of future improvements, it is necessary to perform accurate and robust simulations. Developing simulation models requires a detailed understanding of the detector. Therefore, the precise characterization of its parameters is essential to rely on reliable values for building the detector's numerical model.
In addition, it is desirable to study, develop, and test characterization methods in simulations to refine these methods in a controlled environment and ensure the reliability of the results they provide.
Therefore, simulation and characterization appear to be complementary fields of study. This thesis presents work carried out in the context of the Virgo gravitational wave detector. Several studies of the detector, supported by simulations, are performed.
The first study concerns the characterization of astigmatism present in the Fabry-Perot cavities of the instrument. This study focuses on the development, through simulation, of methods for measuring the key parameters of this astigmatism.
Subsequently, the parameters of these cavities, in particular the radii of curvature of these mirrors, are measured in different thermal states of the instrument. These parameters are fundamental to the accuracy of the simulation models. The measurement is carried out in such a way that the simulation can be adapted to the variations induced by thermal effects and therefore becomes modular with respect to the effects considered.
Finally, the third study concerns the KAGRA detector, which can be considered a 2.5 generation detector since it operates at cryogenic temperatures, as the test masses are cooled to around 30 Kelvin. Cryogenics is central to the development of third-generation detectors such as the Einstein Telescope and Cosmic Explorer. Thus, KAGRA appears to be a pioneer in the development of these technologies.
However, operation at cryogenic temperatures requires the use of mirrors whose substrate is no longer the fused silica generally used in second-generation detectors. Therefore, the mirrors installed in the KAGRA arms are made of sapphire, which exhibits inhomogeneous birefringence across its entire surface. The final chapter presents a study of the effects of birefringence on the error signals used to control the alignment of a Fabry-Perot cavity. This experimental study is complemented by simulations of the effects studied. |