Development of a laser-guided large scale surface metrology device

Abstract

In the quest of examining Newton’s law from microscopic to cosmological distances, the qBounce experiment is in a unique position to observe interactions at the micrometer scale using the novel concept of gravity resonance spectroscopy. In the Ramsey-like setup, state transitions of the probe particles are induced by mechanically vibrating sections of the flight path. The eigen energies of the quantum bouncers on the vertical scale are determined by the Fermi potential of the mirror and the linear gravity potential. It is thus critical for the accuracy of the experiment to establish reliable mirror control so as to avoid unwanted state transitions.The main objective of this work is to build and characterize a prototype measurement solution that is capable of resolving mirror surface geometry with nanometer precision. The proposed new surface measurement system uses a laser-based position hold system so as to provide a physically perfect reference plane. In order to increase the performance of the prototype system, external disturbances like seismic and electronic noise, temperature effects and properties of the signal-processing setup are characterized in detail.As a demonstration, surface elevation maps of a mirror are recorded with two different interferometric measurement devices.Finally, these characterizations are used to make recommendations for the upcoming iteration of the surface measurement appliance.

Im Bestreben, Newton’s Gesetz auf mikroskopischen bis kosmischen Abständen zu erforschen, ist das qBounce-Experiment in der Lage, Interaktionen im Mikrometer-Bereich mit dem neuartigen Verfahren der Gravitationsresonanzspektroskopie zu beobachten. In dem Ramsey-ähnlichen Aufbau werden Zustandsänderungen der Testteilchen durch mechanische Vibration von Teilen der Flugstrecke induziert. Dabei bilden die “quantum bouncers” gebundene Energiezustände, die entlang der vertikalen Achse durch das Fermipotenzial des Spiegels und das lineare Gravitationspotenzial bestimmt sind. Für die Genauigkeit des Experiments ist es daher kritisch die Spiegelpositionen genau unter Kontrolle zu bringen, um ungewollte Zustandsänderungen zu verhindern. Das Hauptziel dieser Arbeit ist es, eine Messlösung zu Bauen und Charakterisieren, die die Oberflächen der Spiegel auf Nanometer genau kartieren kann. Das vorgestellte neue Oberflächenmesssystem verwendet ein laserbasiertes Positionshaltesystem um eine physikalisch perfekte Referenzebene bereitzustellen. Im Zuge der Optimierung des Prototyps werden externe Störungen wie seismisches und elektrisches Rauschen, Temperatureffekte und die Eigenschaften des signalverarbeitenden Systems im Detail charakterisiert. Zur Demonstration wird die Oberfläche eines Spiegels mit zwei verschiedenen interferometrischen Messgeräten erfasst. Schließlich werden die gewonnenen Kenntnisse verwendet, um Empfehlungen für die nächste Version des Oberflächenmessgeräts zu geben.