De transversale ruimtelijke eigenschappen van een laserbundel spelen een belangrijke rol in de laserinterferometers van ET. Elk verschil in de vorm van de hoofdlaserbundel tussen de interferometerarmen veroorzaakt imperfecte interferentie, wat leidt tot signaalverlies. Bovendien worden radiofrequente zijbandcomponenten van de bundel gebruikt om de positie en oriëntatie van de interferometeroptiek uit te lezen. Elke ruimtelijke vervorming van deze velden kan leiden tot systematische fouten in de optische uitlezing, waardoor de regelsystemen de spiegels verkeerd richten, wat leidt tot signaalverlies. Daarnaast zijn verschillende opto-mechanische systemen afhankelijk van een gecontroleerde vorm van de bundel, en afwijkingen kunnen de oorzaak zijn van instabiliteiten, zogenaamde parametrische instabiliteiten, en hoekcontrole-instabiliteiten, die het onmogelijk kunnen maken om de interferometer operationeel te krijgen en te houden.

De huidige Virgo en LIGO interferometers hebben veel last gehad van dergelijke problemen. In Virgo en LIGO in het bijzonder, is de thermische vervorming van het optisch systeem als gevolg van de resterende zeer kleine absorptie van de laserbundels met hoog vermogen een groot probleem. Dat probleem verhindert het gebruik van het volledige laservermogen tot op de dag van vandaag. Gedetailleerde studies met deze experimenten hebben geleid tot de identificatie van de belangrijkste uitdagingen die we voor ET moeten aanpakken.

ET bestaat uit drie detectoren die samengevouwen zijn in een driehoek. Iedere detector wordt gevormd door twee interferometers, een voor de laagfrequente zwaartekrachtsgolven (hierna: LF) en een voor de hoogfrequente zwaartekrachtsgolven (hierna: HF). In totaal huisvest ET daarom zes 10 km lange interferometers.

Het gebruik van twee interferometers voor elke detector, één werkend bij hoog optisch vermogen (ET HF) en één bij laag optisch vermogen (ET LF), helpt om de invloed van de thermisch geïnduceerde effecten te verminderen. Resterende bundelvormdefecten moeten echter nog steeds worden gecontroleerd en onze huidige hulpsystemen voor het meten en compenseren van spiegeldefecten voldoen niet aan de ET-eisen.

Nauwkeurige golffrontmetingen: we kunnen optische uitlezingen van de hoofdlaserbundel of van radiofrequentie-componenten (hierna: RF-componenten) die meebewegen met de hoofdbundel gebruiken om golffrontfouten te meten en daaruit de defecten af te leiden van de 7 hoofdoptieken in de grote interferometer. De bundel is van uitstekende kwaliteit in fase, amplitude en vorm en levert dus een zeer nauwkeurige aflezing. Maar omdat het de impact van 7 optieken in gekoppelde optische resonatoren mengt, is de afleiding van deze metingen een uitdaging. Nauwkeurigere golffrontsensoren, met een hoge ruimtelijke en tijd oplossing, kunnen de basis vormen voor een krachtiger systeem.

Detectie van de hulpspiegelkwaliteit: Sommige specifieke defecten, zoals vervormingen door puntabsorbers in de spiegelcoating, kunnen veel nauwkeuriger worden gemeten met een speciale hulpbundel dan met de optische uitlezing van de hoofdbundel. Speciale Shack-Hartmann en Hartmann sensoren zijn ontwikkeld en getest in LIGO en Virgo, maar voldoen nog niet aan de ET eisen. Bovendien zijn deze tot nu toe gericht op oppervlaktevervormingen, terwijl een thermisch geïnduceerde gradiënt van de brekingsindex in het hoofdmateriaal het dominante probleem kan zijn, vooral in de hoofdbundelsplitser met de gecompliceerde geometrie van 4 invallende bundels.

Afleiding van de interferometertoestand uit optische detectie: golffrontwaarnemingen van de hoofdbundel leveren informatie over de globale toestand van de interferometer, door de gecombineerde vervormingen van 7 optieken (reflecties en transmissies) te meten. We zijn succesvol geweest in het ontwerpen van schema's voor positie- en oriëntatieregeling, die alle vrijheidsgraden van de optische systemen kunnen uiteenrafelen uit de uitlezingen van de hoofdbundel. Een soortgelijk schema is nog niet volledig gedemonstreerd voor het meten van vervormingen van spiegeloppervlakken.

Modellering van de opto-mechanische dynamica van de interferometer: De toestand van de interferometer hangt het sterkst af van de positie en oriëntatie van de spiegels. De regelkringen voor deze vrijheidsgraden kunnen worden beïnvloed door veranderingen in de vorm van de bundel. Stralingsdrukeffecten veroorzaken extra koppelingen tussen de optica en hun mechanische ophangsystemen, wat leidt tot een nauw gekoppeld systeem dat meer dan 10 km lang is en optische, mechanische en elektronische regelsystemen koppelt. De meeste systemen zijn zeer niet-lineair en gekoppeld via meerdere kanalen, tenzij het systeem zich al in een stabiele toestand bevindt in een zeer klein volume van de beschikbare parameterruimte. Vanwege dit specifieke type optische en opto-mechanische koppeling dat inherent is aan de ET interferometers, kunnen we geen modelagnostische inferentiemethoden gebruiken, maar zijn we afhankelijk van gedetailleerde numerieke modellen van de hardware. Door nauw samen te werken met de Virgo- en LIGO-detectoren moeten we modellen ontwikkelen die correct overeenkomen met de gemeten gegevens van de belangrijkste typen fouten gerelateerd aan spiegeloppervlaktedefecten.

Contactloze compensatie van spiegelvervormingen: In de huidige detectoren gebruiken we ruimtelijk gestuurde verwarming van de spiegels om thermisch geïnduceerde defecten te compenseren. Verschillende soorten actuatoren zijn speciaal ontwikkeld voor gebruik in interferometers voor zwaartekrachtsgolven, zoals ringvormige verwarmers, gesegmenteerde verwarmingsarrays en CO2-lasers die een programmeerbaar warmteprofiel op het spiegeloppervlak kunnen leveren. Sommige van deze systemen kunnen verder ontwikkeld worden voor ET-HF, dat gesmolten siliciumdioxide optica gebruikt bij kamertemperatuur. Maar voor ET-LF, met de hoofdspiegels op een cryogene temperatuur onder 20 Kelvin (hierna: K), kan dezelfde benadering niet worden gebruikt. We moeten een nieuw contactloos schema ontwikkelen voor golffrontcompensatie in cryogene omgevingen.

Adaptieve optiek in hulpsystemen: de optische hulpsystemen rond de hoofdinterferometer maken gebruik van optische telescopen, periscopen, Faraday isolatoren, enzovoort-. Elk optisch defect in deze systemen kan de signalen van de hoofdinterferometers maskeren. We zijn bijvoorbeeld van plan om kleine-bundel stuurinrichtingen te gebruiken om de optische bundels gecentreerd te houden op optische sensoren, zelfs als de oriëntatie van de hoofdspiegels verandert. Deze systemen moeten deel uitmaken van een gecombineerd systeem dat golffrontvervormingen en uitlijnfouten in hulpoptieken kan compenseren. In de meeste hulpsystemen is de straal van de optische bundel aanzienlijk kleiner dan in de hoofdinterferometer (een paar mm tot een paar cm) en we verwachten dat bekende technieken uit de adaptieve optica gebruikt kunnen worden in deze systemen.

Oppervlaktekwaliteit van optiek met vrije vorm: de huidige optiek voor detectoren voor zwaartekrachtgolven is afhankelijk van de nieuwste polijsttechnieken die beschikbaar zijn voor bolvormige oppervlakken. In de afgelopen decennia hebben we een uitgebreide kennis ontwikkeld over cilindrische substraten met supergepolijste sferische oppervlaktevormen. Voor sommige toepassingen zou vrije-vorm optiek echter interessante voordelen bieden, bijvoorbeeld door de footprint van hulpsystemen te verkleinen of door compactere bundel-expander-telescopen in de hoofdinterferometers mogelijk te maken. We moeten een demonstratiemodel ontwikkelen om de prestaties van moderne vrije-vorm optica te testen door de hele keten heen: vanaf het formuleren van eisen, fabricage, validatie en bedieningsgemak.