High fidelity probe and mitigation of mirror thermal fluctuations

Thermal noise arising from mechanical loss in high reflective dielectric coatings is a significant source of noise in precision optical measurements. In particular, Advanced LIGO, a large scale interferometer aiming to observed gravitational wave, is expected to be limited by coating thermal noise in the most sensitive region around 30–300 Hz. Various theoretical calculations for predicting coating Brownian noise have been proposed. However, due to the relatively limited knowledge of the coating material properties, an accurate approximation of the noise cannot be achieved. A testbed that can directly observed coating thermal noise close to Advanced LIGO band will serve as an indispensable tool to verify the calculations, study material properties of the coating, and estimate the detector’s performance.

This dissertation reports a setup that has sensitivity to observe wide band (10Hz to 1kHz) thermal noise from fused silica/tantala coating at room temperature from fixed-spacer Fabry–Perot cavities. Important fundamental noises and technical noises associated with the setup are discussed. The coating loss obtained from the measurement agrees with results reported in the literature. The setup serves as a testbed to study thermal noise in high reflective mirrors from different materials. One example is a heterostructure of Al_xGa_1−xAs (AlGaAs). An optimized design to minimize thermo–optic noise in the coating is proposed and discussed in this work.

Magnetic alignment of high-aspect ratio microwires into vertical arrays

Fundamental studies of magnetic alignment of highly anisotropic mesostructures can enable the clean-room-free fabrication of flexible, array-based solar and electronic devices, in which preferential orientation of nano- or microwire-type objects is desired. In this study, ensembles of 100 micron long Si microwires with ferromagnetic Ni and Co coatings are oriented vertically in the presence of magnetic fields. The degree of vertical alignment and threshold field strength depend on geometric factors, such as microwire length and ferromagnetic coating thickness, as well as interfacial interactions, which are modulated by varying solvent and substrate surface chemistry. Microwire ensembles with vertical alignment over 97% within 10 degrees of normal, as measured by X-ray diffraction, are achieved over square cm scale areas and set into flexible polymer films. A force balance model has been developed as a predictive tool for magnetic alignment, incorporating magnetic torque and empirically derived surface adhesion parameters. As supported by these calculations, microwires are shown to detach from the surface and align vertically in the presence of magnetic fields on the order of 100 gauss. Microwires aligned in this manner are set into a polydimethylsiloxane film where they retain their vertical alignment after the field has been removed and can subsequently be used as a flexible solar absorber layer. Finally, these microwires arrays can be protected for use in electrochemical cells by the conformal deposition of a graphene layer.

裂缝光纤传感的工程应用

光纤传感的灵敏性及工程"存活率"是其工程实用化的两个关键技术参量,对光纤-混凝土结构两种常用裂缝光纤传感光信号对裂缝宽度的灵敏性与存活率进行了实验研究,对光纤涂覆层对灵敏性影响的大小和机理进行了分析,并制作了灵敏性与存活率均较高的光纤试验样本,与裂缝成45°夹角时,相比于等直径的普通二次涂覆粗光纤(10/125/900μm),样本的灵敏性提高近65%,而存活率亦高出约15%。研究结果可为裂缝光纤传感的优化设计和工程应用提供了基本参照。

光纤涂敷层对光纤裂缝传感器分布式监测能力的影响

基于混凝土模型试验，对涂敷层的传感光纤的裂缝复用能力进行了定量分析，得到了传感光纤和工程结构裂缝夹角在30°，45°，60°时的复用能力与裂缝宽度的关系曲线。对由软性材料构成的光纤涂敷层来说，光纤的复用能力随涂敷层厚度的增加而增大，在与裂缝夹角成45°时，二次涂敷粗光纤的复用能力约为细光纤的5倍，表明光纤敷层对光纤裂缝监测的复用能力具有较大影响。对这种影响的机理进行了理论分析和试验研究，发现当混凝土开裂时，光纤沿混凝土界面的滑移是光纤涂敷层影响光纤裂缝复用能力的主要原因，在光纤与裂缝夹角成45°时，这一影

Sistemas fotovoltaicos integrados ao perfil de uso da edificação

Nos últimos anos, o consumo de energia vem crescendo mundialmente nos grandes centros urbanos, e esforços na área de eficiência energética estão sendo implantados, a fim de reduzir o consumo no horário da ponta e interrupções da rede. O aproveitamento das fontes renováveis, como o fotovoltaico em uma edificação se torna um atrativo a mais para a matriz energética num momento em que o país prima pela universalização dos serviços de energia e a classificação de edifícios comerciais, de serviço e públicos, além dos residenciais quanto à eficiência energética através do Procel Edifica (RTQ-C e RTQ-R). Os sistemas fotovoltaicos podem configurar perfis de uso nas edificações de modo a gerar energia para consumo próprio ou ligado à rede e ainda ter influência na arquitetura do prédio com revestimento: os perfis podem está em telhados, fachadas ou janelas, amenizando em alguns casos a carga térmica no prédio com sombreamento arquitetônico. Hoje, com o avanço da tecnologia no setor de armazenagem é possível, o atendimento com segurança e eficiência a uma edificação ou direcionar esta armazenagem a uma demanda específica como o atendimento à demanda de ciclo profundo, tais como, iluminação externa e recarga de veículos elétricos. Partindo da premissa de sistemas interruptos de energia, UPS, uso de fonte secundária como FV, baterias e Flywheel é apresentado uma forma de melhor gerenciar a energia armazenada, podendo estender a vida útil da bateria e conseqüentemente de todo o sistema fotovoltaico na edificação. Esta forma de armazenar energia proporciona um serviço de uso contínuo sem percepção das interrupções da rede com garantia de 20 anos, tal qual o módulo fotovoltaico, com esta proposta as perdas de energia elétrica na edificação serão atenuadas, pois a eletricidade será utilizada de forma eficiente e inteligente. O ponto de partida do estudo de caso no prédio do IBAM são os sistemas fotovoltaicos com geração distribuída (mini-redes) conectados à rede que são instalados para fornecer energia ao consumidor, complementando a quantidade de energia demandada, caso haja algum aumento do consumo de energia na edificação, ou ainda utilizar o sistema fotovoltaico na hora da ponta e interrupções do sistema da rede no período fora da ponta. A estocagem inercial por meio do Flywheel tem um papel fundamental nesta mini-rede (Flywheel, bateria VRLA, UPS, inversor e STS), pois a sua utilização pode ser apontada como uma inovação tecnológica quanto à regulação de tensão no sistema de energia elétrica, além de preparar a edificação para o smart-grid. Esta configuração de acumulação de energia permitiu a analise do deslocamento desta energia armazenada para o consumo no horário de ponta, mudando o conceito de sistemas fotovoltaicos autônomos no meio urbano e rural no país. Este conceito de armazenagem se confirma então como um aporte na eficiência de energia na edificação, podendo carrear economia de energia substancial, além de proporcionar uma confiabilidade no serviço de energia, com um baixo retorno do investimento e com uma garantia de funcionamento com pequena ou nenhuma manutenção durante o período de vida de 20 anos.

Estudo da influência do teor de segmentos hidrofílicos na síntese de poliuretanos dispersos em água

Considerações ambientais têm aumentado a pesquisa e o desenvolvimento de sistemas poliméricos aquosos para diversos tipos de aplicações, principalmente como revestimentos. Nesta dissertação, foram sintetizadas formulações não-poluentes à base de poliuretanos dispersos em água (PUDs), com 40% de teor de sólidos, na ausência de solventes orgânicos. Os monômeros empregados foram copolímeros em bloco à base de poli(glicol etilênico) e poli(glicol propilênico) (EG-b-PG), com teor de 25% de segmento hidrofílico EG, poli (glicol propilênico) (PPG), ácido dimetilolpropiônico (DMPA), diisocianato de isoforona (IPDI) e hidrazina (HYD), como extensor de cadeia. Foram variadas as razões entre o número de equivalente-grama de grupamentos isocianato e hidroxila (NCO/OH) e a proporção em equivalente-grama de PPG e dos copolímeros em bloco (EG-b-PG). Foi observado que a incorporação de altas quantidades de copolímero dificultou a síntese dos poliuretanos dispersos em água, levando à formação de géis. O tamanho médio de partícula e a viscosidade das dispersões foram determinados. Os filmes vazados a partir dessas dispersões foram avaliados quanto à capacidade de absorção de água, resistência mecânica, termogravimetria (TG), e caracterizados por espectroscopia na região do infravermelho (FTIR). As dispersões poliuretânicas produzidas se mostraram satisfatórias quando aplicadas como revestimento para madeira, metais e vidro

Electrocatalytic reduction of dioxygen at chemically modified electrodes

The kinetics of the reduction of O₂ by Ru(NH₃)₆⁺² as catalyzed by cobalt(II) tetrakis(4-N-methylpyridyl)porphyrin are described both in homogeneous solution and when the reactants are confined to Nafion coatings on graphite electrodes. The catalytic mechanism is determined and the factors that can control the total reduction currents at Nafion-coated electrodes are specified. A kinetic zone diagram for analyzing the behavior of catalyst-mediator-substrate systems at polymer coated electrodes is presented and utilized in identifying the current-limiting processes. Good agreement is demonstrated between calculated and measured reduction currents at rotating disk electrodes. The experimental conditions that will yield the optimum performance of coated electrodes are discussed, and a relationship is derived for the optimal coating thickness.

The relation between the reduction potentials of adsorbed and unadsorbed cobalt(III) tetrakis(4-N-methylpyridyl)porphyrin and those where it catalyzes the electroreduction of dioxygen is described. There is an unusually large change in the formal potential of the Co(III) couple upon the adsorption of the porphyrin on the graphite electrode surface. The mechanism in which the (inevitably) adsorbed porphyrin catalyzes the reduction of O₂ is in accord with a general mechanistic scheme proposed for most monomeric cobalt porphyrins.

Four new dimeric metalloporphyrins (prepared in the laboratory of Professor C. K. Chang) have the two porphyrin rings linked by an anthracene bridge attached to meso positions. The electrocatalytic behavior of the diporphyrins towards the reduction of O₂ at graphite electrodes has been examined for the following combination of metal centers: Co-Cu, Co-Fe, Fe-Fe, Fe-H₂. The Co-Cu diporphyrin catalyzes the reduction of O₂ to H₂O₂ but no further. The other three catalysts all exhibit mixed reduction pathways leading to both H₂O₂ and H₂O. However, the pathways that lead to H₂O do not involve H₂O₂ as an intermediate. A possible mechanistic scheme is offered to account for the observed behavior.

Estudo da incorporação de diferentes tipos de argilas hidrofílicas em dispersões aquosas de poliuretanos para formação de nanocompósitos

Neste trabalho foram sintetizados nanocompósitos à base de poliuretanos em dispersão aquosa (NWPUs) e argilas hidrofílicas do tipo montimorilonita (MMT) de natureza sódica e cálcica. Os monômeros empregados na síntese foram: poli(glicol propilênico) (PPG); copolímero em bloco à base de poli(glicol etilênico) e poli(glicol propilênico) (EG-b-PG), com teor de 7% de EG; ácido dimetilolpropiônico (DMPA) e diisocianato de isoforona (IPDI). Os NWPUs tiveram as argilas, previamente deslaminadas em água e incorporadas à formulação no momento da dispersão do prepolímero. Dispersões aquosas (WPUs), sem a presença de argila, foram sintetizadas como base, nas quais foram variadas a razão NCO/OH e a proporção de copolímero em relação ao PPG. Nas formulações NWPUs, foram variados também o teor de argila em relação à massa de prepolímero e o tipo de argila sódica e cálcica. As dispersões foram avaliadas, quanto ao teor de sólidos totais, tamanho médio de partícula e viscosidade. Os filmes vazados a partir das dispersões foram caracterizados por espectrometria na região do infravermelho (FTIR), difração de raios-x (XRD) e microscopia eletrônica de varredura (SEM). A resistência térmica dos filmes foi determinada por termogravimetria (TG) e a resistência mecânica dos filmes foi avaliada por ensaios mecânicos em dinamômetro. O grau de absorção de água dos filmes também foi determinado. A formação de nanocompósitos à base de água foi confirmada pela ausência do pico de XRD, característico das argilas empregadas na maioria dos filmes analisados. As micrografias obtidas por SEM confirmam uma dispersão homogênea das argilas na matriz poliuretânica. Os filmes à base de nanocompósitos (NWPUs) apresentaram propriedades superiores às apresentadas por aqueles obtidos a partir das dispersões sem argilas (WPUs). Os revestimentos formados a partir da aplicação das dispersões aderiram à maioria dos substratos testados (metal, vidro, madeira e papel) formando superfícies homogêneas

Cryogenic Silicon Optical Reference Cavities

Thermodynamical fluctuations in temperature and position exist in every physical system, and show up as a fundamental noise limit whenever we choose to measure some quantity in a laboratory environment. Thermodynamical fluctuations in the position of the atoms in the dielectric coatings on the mirrors for optical cavities at the forefront of precision metrology (e.g., LIGO, the cavities which probe atomic transitions to define the second) are a current limiting noise source for these experiments, and anything which involves locking a laser to an optical cavity. These thermodynamic noise sources scale physical geometry of experiment, material properties (such as mechanical loss in our dielectric coatings), and temperature. The temperature scaling provides a natural motivation to move to lower temperatures, with a potential huge benefit for redesigning a room temperature experiment which is limited by thermal noise for cryogenic operation.

We design, build, and characterize a pair of linear Fabry-Perot cavities to explore limitations to ultra low noise laser stabilization experiments at cryogenic temperatures. We use silicon as the primary material for the cavity and mirrors, due to a zero crossing in its linear coefficient of thermal expansion (CTE) at 123 K, and other desirable material properties. We use silica tantala coatings, which are currently the best for making high finesse low noise cavities at room temperature. The material properties of these coating materials (which set the thermal noise levels) are relatively unknown at cryogenic temperatures, which motivates us to study them at these temperatures. We were not able to measure any thermal noise source with our experiment due to excess noise. In this work we analyze the design and performance of the cavities, and recommend a design shift from mid length cavities to short cavities in order to facilitate a direct measurement of cryogenic coating noise.

In addition, we measure the cavities (frequency dependent) photo-thermal response. This can help characterize thermooptic noise in the coatings, which is poorly understood at cryogenic temperatures. We also explore the feasibility of using the cavity to do macroscopic quantum optomechanics such as ground state cooling.

溶胶-凝胶多孔二氧化硅减反膜稳定性研究

多孔SiO2膜层经热处理后，具有很高的激光破坏阈值，但是结构中有许多Si-OH亲水基团，导致光学透过率受环境相对湿度的影响很大。实验目的是改善膜层内部结构，使膜层结构中的亲水基团转变为疏水基团。提高膜层的疏水性，增强膜层的透过率稳定性。系统地研究了膜层透过率随时间变化的规律，在氨气和六甲基二硅氮烷(HMDS)混合气氛下热处理膜层，处理后生成Si-O-Si(CH2)3非极性疏水基团，使膜层的疏水性大大提高，因而膜层的透过率稳定性有大幅度提高。稳定性的提高延长了膜层的寿命。处理后膜层的表面粗糙度良好，均方根表

掺入有机硅提高溶胶-凝胶二氧化硅减反膜的稳定性研究

膜层稳定性对于激光器能否长期稳定使用极为重要。多孔SiO。减反膜经热处理后，结构中还存在许多Si—OH亲水基团，透过率稳定性受环境相对湿度的影响较大。向膜层中掺入有机硅，添加疏水基团，提高了膜层的疏水性，增强了膜层的透过率稳定性。膜层中加了Si-CH3疏水基团，膜层的疏水性大大提高；当Si-CH3与二氧化硅悬胶体中的Si的摩尔比为1／5．7时，即Si—CH3质量分数为0．35％时的二氧化硅膜层，其减反效果好，疏水性也高，从而大幅度提高了膜层的透过率稳定性，延长了膜层的寿命，对二氧化硅膜层具有高激光损伤阈值

磷酸盐激光玻璃凝胶防潮膜和减反膜

采用溶胶-凝胶方法制备（CH3）2Si（OC2H5）2预聚体涂膜液以及掺入SiO2悬胶体涂膜液改性，采用旋转法在掺钕磷酸盐激光玻璃棒端面涂制防潮膜，热处理后膜层固化。SiO2改性的CH3O防潮膜，热处理后的膜层耐摩擦性能明显改善。然后旋转涂制第二层多空性SiO2减反膜，涂膜胶体通过硅酸乙脂碱催化水解缩聚制得，减反膜的折射率为约1．25，玻璃棒涂膜后激光波长1053nm减少表面反射率6．5％-7．5％，双层膜激光破坏阈值12J／cm^2，1053nm／1ns，膜层表面粗糙度（RMS）2．523nm。直径20

高激光损伤阈值溶胶-凝胶ZrO2薄膜

采用醇热法水解氧氯化锆（ZrOCl2·8H2O）制备ZrO2溶胶，提拉法涂膜。采用粘度、粒度分布、折射率、IR、DSC、AFM等测试手段对溶胶和薄膜性能进行表征。结果表明，ZrO2溶胶颗粒的平均粒径为18．9nm，薄膜经300℃热处理后折射率可高达1．95，膜层表面均匀平整，表面平均粗糙度仅为0．561nm，膜层的激光损伤阈值为14J／cm^2（1064nm，1ns）。

甲基化对多孔SiO_2增透薄膜光学稳定性能的影响

分别通过引入甲基三乙氧基硅烷(MTES)、二甲基二乙氧基硅烷(DMDES)以及六甲基二硅氮烷(HMDS)组分对SiO2悬胶体进行改性,得到不同甲基化的多孔SiO2改性薄膜。研究了改性薄膜的光学稳定性,抗激光破坏性能以及机械抗擦性能。结果表明,HMDS改性薄膜的光学稳定性最好而机械抗擦性较弱,MTES与DMDES改性薄膜的光学稳定性较低而机械抗擦性良好且均与改性组分的含量有关,甲基化改性薄膜的抗激光破坏性能比未改性薄膜的有所降低。

Análise molecular vibracional da interface adesivo-dentina após aplicação de múltiplas camadas de sistemas adesivos convencionais de dois passos

O propósito do presente estudo foi analisar o efeito da aplicação de múltiplas camadas consecutivas de dois sistemas adesivos convencionais de dois passos na difusão resinosa e padrão de distribuição dos componentes monoméricos resinosos. Dezesseis terceiros molares humanos hígidos foram tratados com os sistemas adesivos convencionais de dois passos de acordo com as instruções dos fabricantes ou com aplicações em múltiplas camadas consecutivas. Os espécimes foram seccionados paralelamente aos túbulos dentinários e as superfícies submetidas ao polimento com lixas 600, 1200, 1800, 2000 e 4000. Os espectros Raman foram coletados ao longo de uma linha perpendicular a interface adesivo-resina em intervalos de 1 ou 2 m. As medidas de difusão da resina adesiva e distribuição dos componentes monomériccos foram avaliadas pelos picos Raman de 1113 cm-1, 1609 cm-1 e 1454 cm-1. O gradiente de desmineralização usado na determinação da região de hibridização foi avaliado pelo pico de 960 cm-1 da apatita. De acordo com os resultados obtidos, a aplicação de múltiplas camadas apresentou uma tendência de homogeneização dos componentes poliméricos, dependente da composição química da resina adesiva.